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清華大學危巖教授、吉巖副教授團隊《Sci. Adv.》：具有可重編程伸縮衍生運動的磁響應液晶彈性體軟體驅動器

2022-06-25 來源：高分子科技

磁響應軟體驅動器具有可非接觸調控、響應快速等優點，在生物醫學設備、軟體機器人和航空航天等領域展現出巨大的應用潛力。由于磁場穿透力極強，磁控驅動器能夠在密閉或受限空間（例如，人體和密封裝置）中應用，這也是磁響應驅動器與其他刺激響應系統（例如熱刺激、光刺激等）相比最顯著的優勢之一。其中，具有可重編程功能的磁控軟體驅動器，因其能夠在不斷變化的條件下進行工作或執行多重任務，而受到特別的關注。對于可重編程的磁控軟體驅動器，目前有兩個重要問題亟待解決：（1）形變（運動）模式局限（僅有可逆彎曲和扭轉這一類基本運動模式），（2）難以實現局部和序列磁控。

圖1. 設計制備具有可重編程伸縮運動且局部可控的多功能磁響應軟體驅動器

針對以上挑戰，清華大學化學系危巖教授、吉巖副教授團隊報道了一系列具有可重編程伸縮衍生運動的磁響應液晶彈性體（liquid crystalline elastomers， LCEs）軟體驅動器，并且實現了磁場對驅動器的局部和序列控制（圖1）。驅動器的制備是通過在LCEs中充分挖掘磁熱效應和共價可適性網絡 (Covalent adaptable network, CAN)的優勢來實現的。LCEs材料基體選用具有動態氨基甲酸酯鍵的聚氨酯基LCE，通過摻雜Fe₃O₄納米粒子引入磁熱響應性（Magnetic PULCE, M-PULCE）。利用CAN基LCE的取向特性，構建了各種過去難以實現的磁響應運動模式，包括大尺寸形變的可逆伸縮運動（~80%）、雙軸伸縮、復合運動（螺旋同時伸長）、動態三維圖案和凸起驅動等，且由于動態共價鍵的存在，這些運動模式可反復按需更改（圖2和圖3）。

圖2 M-PULCE驅動器的設計與制備

圖3 多種磁控運動模式

作者通過將具有不同磁響應“閾值”的材料進行組裝的策略，高效實現了軟體驅動器的局部和序列磁控。由于不同磁顆粒含量的M-PULCE對磁場強度顯示出不同的響應性（磁性納米粒子含量越高，響應磁場的強度越小），利用動態共價鍵將取向后的不同M-PULCE材料進行無縫焊接，可以通過簡單地調控磁場的強度（類似于寫入“邏輯開關”序列）來輸出無窮無盡的局部/整體運動（圖4）。

圖4 組裝后M-PULCE的局部和序列磁控運動

不僅如此，以上策略還賦予了該磁響應液晶彈性體軟體驅動器多種卓越的特性，包括磁場輔助的異質多材料結構制備（圖5）、逐步可控性、多重響應性（可通過磁、光和熱實現編程和驅動）、自修復和可重塑性，充分滿足了開發新一代軟磁驅動執行器的要求。研究者可以利用這些優勢屬性，根據需求從這一全能“工具箱”中任意挑選合適的功能進行應用和進一步深入探索。

圖5 磁場輔助“焊接”實現異質多材料三維動態結構制備

該文章以“Locally controllable magnetic soft actuators with reprogrammable contraction-derived motions”為題發表在Science Advances上。清華大學化學系博士生仵雅禾和張帥為論文的共同第一作者。通訊作者為清華大學化學系危巖教授和吉巖副教授。

原文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abo6021

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（責任編輯：xu）

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