人工肌肉在醫(yī)療器械、仿真機(jī)器人等領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景。液晶彈性體（LCE）因其模量和密度與軟組織接近，且能夠通過感受外部刺激產(chǎn)生自主運(yùn)動(dòng)，是一種非常有潛力的人工肌肉材料。然而，LCE的形狀單一，且一旦交聯(lián)成型就難以改變其形狀，為滿足不同場景的應(yīng)用需求，理想的人工肌肉應(yīng)能夠被加工成任意所需形狀，即形狀編程。此外，LCE的力學(xué)模量和強(qiáng)度不足，限制了其在可逆驅(qū)動(dòng)過程中的對(duì)外做功能力。由于人工肌肉常被用于提拉和推動(dòng)物體，因此賦予其優(yōu)異的對(duì)外做功能力至關(guān)重要。如何發(fā)展兼具可形狀編程和優(yōu)異做功能力的LCE是個(gè)重要挑戰(zhàn)。
圖1. LCE的化學(xué)結(jié)構(gòu)、取向及驅(qū)動(dòng)原理
為此，上海交通大學(xué)的劉湍和林秋寧等人構(gòu)建了一種由氫鍵和共價(jià)鍵交聯(lián)的LCE（圖1）。該材料以氫鍵作為物理交聯(lián)固定取向網(wǎng)絡(luò)，并利用氫鍵高溫快速解離—室溫緩慢形成的特點(diǎn)賦予其形狀編程功能；同時(shí)，以共價(jià)交聯(lián)用于維持結(jié)構(gòu)的完整性，并與氫鍵一起協(xié)同增強(qiáng)材料。基于此設(shè)計(jì)，我們成功構(gòu)建了一系列具有不同形狀的人工肌肉。這些材料能夠在熱刺激下發(fā)生可逆、穩(wěn)定、復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)行為并展現(xiàn)出優(yōu)異的做功能力（440 kJ m-3）。特別強(qiáng)調(diào)，獲得該材料須滿足以下要求，即具有低相變溫度以防止驅(qū)動(dòng)過程中氫鍵發(fā)生解離、引入強(qiáng)氫鍵用于固定液晶取向。
在形狀編程方面，具體操作步驟包括（圖1a）：材料經(jīng)130 oC熱處理使氫鍵解離，隨后使材料降至室溫；氫鍵在室溫下緩慢恢復(fù)，這為作者提供5 min的加工窗口用于對(duì)材料實(shí)施拉伸取向；靜置24小時(shí)后，氫鍵得到充分恢復(fù)，并有效固定取向網(wǎng)絡(luò)。所得材料在25 - 80 oC的循環(huán)熱刺激下能夠發(fā)生穩(wěn)定、可逆的驅(qū)動(dòng)行為。基于該方法，作者構(gòu)建了一系列具有不同形狀的人工肌肉，如圖2所示。在驅(qū)動(dòng)做功方面，作者使用所構(gòu)建的人工肌肉提拉重物，僅需30 mg材料就能提起自身6000多倍的砝碼（200 g）。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，材料的做功能力最高可達(dá)440 kJ m-3，遠(yuǎn)高于人體骨骼肌的做功能力（40 kJ m-3），是已知可編程LCE中最高的。該優(yōu)異驅(qū)動(dòng)性能得益于非共價(jià)與共價(jià)交聯(lián)的協(xié)同增強(qiáng)作用。
作者結(jié)合所構(gòu)建材料在形狀編程以及驅(qū)動(dòng)做功兩方面的優(yōu)勢構(gòu)建了一種管狀軟體驅(qū)動(dòng)器，并通過植入電阻絲實(shí)現(xiàn)通過電流控制驅(qū)動(dòng)行為。如圖3所示，所構(gòu)建的管狀人工肌肉可以發(fā)生伸長-收縮、彎曲-伸直、擴(kuò)張-收縮三種驅(qū)動(dòng)模式。作者將其置于人體模型的手臂關(guān)節(jié)處，進(jìn)一步施加電流帶動(dòng)手臂關(guān)節(jié)以約60°角度進(jìn)行可逆彎曲-伸直運(yùn)動(dòng)。這項(xiàng)工作為制備兼具可形狀編程和優(yōu)異做功能力的LCE提供了一種可行新方法，且材料合成簡單，僅需一步熔融聚合完成制備。我們期望該工作能夠推動(dòng)LCE人工肌肉在醫(yī)療器械、仿真機(jī)器人等領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用。
相關(guān)成果以“Locking Alignment of Liquid Crystal Actuators Using Hydrogen Bonds to Enable Room-Temperature Shape Programmability and Enhanced Work Capacity”為題發(fā)表在Advanced Functional Materials期刊上。上海交通大學(xué)博士研究生丁健是該論文的第一作者，劉湍副研究員和林秋寧研究員為通訊作者，團(tuán)隊(duì)的朱麟勇教授提供了大力支持和悉心指導(dǎo)，本工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、交大2030計(jì)劃、上海市浦江人才項(xiàng)目的資助。
注：歡迎開展合作研究，有意者請(qǐng)來信郵箱（tuan-liu@sjtu.edu.cn）。
原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202414510
