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  液晶彈性體因響應(yīng)速度快、驅(qū)動(dòng)應(yīng)變大，被廣泛關(guān)注用于醫(yī)療器械、傳感器和環(huán)境探測等軟體驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域。要讓其具備良好的可逆驅(qū)動(dòng)性能，必須同時(shí)滿足兩大條件——合理的幾何設(shè)計(jì)和精確的液晶分子取向編程。現(xiàn)有的取向編程方法，現(xiàn)有方法如光固化、機(jī)械拉伸、場致取向等均存在幾何受限、加工條件苛刻或空間精確控制難度大等問題，制約了復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)器的制備。

  近日，浙江大學(xué)化工學(xué)院鄭寧研究員團(tuán)隊(duì)在液晶彈性體（LCE）驅(qū)動(dòng)器的制造領(lǐng)域取得重要突破，提出了一種基于受控自由基擴(kuò)散的全新編程方法。該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)任意幾何結(jié)構(gòu)的液晶彈性體精準(zhǔn)取向固定，使材料具備可逆驅(qū)動(dòng)能力，被形象地稱為“變形即走（deform-and-go）”策略。這一成果為軟體機(jī)器人、可穿戴設(shè)備和智能材料的開發(fā)開辟了新的路徑。

圖1 通過自由基擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)液晶彈性體取向編程

  研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，只需將液晶彈性體在室溫下浸泡于含過硫酸銨（APS）的水溶液中，APS生成的硫酸根自由基便可全方位滲透到材料內(nèi)部，與殘留的丙烯酸基團(tuán)發(fā)生化學(xué)交聯(lián)，從而固定分子取向。這一過程無需加熱、光照或外力固定，且材料本身的疏水性防止了水致膨脹，保證了復(fù)雜變形結(jié)構(gòu)在編程過程中的穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)表明，該方法適用于3D打印、模壓、浮雕甚至折紙結(jié)構(gòu)的液晶彈性體，并能在幾小時(shí)內(nèi)完成高效取向固定。

圖2 通過自由基擴(kuò)散編程液晶彈性體材料的驅(qū)動(dòng)性能

  材料在單軸預(yù)拉伸后可實(shí)現(xiàn)接近110%的可逆驅(qū)動(dòng)應(yīng)變，并在高達(dá)140 ℃的環(huán)境下仍保持穩(wěn)定性能。與動(dòng)態(tài)化學(xué)鍵固定法相比，該方法的熱穩(wěn)定性明顯提升。團(tuán)隊(duì)還優(yōu)化了材料配方和浸泡條件，確定了最佳APS濃度、交聯(lián)劑比例及丙烯酸基團(tuán)含量，使驅(qū)動(dòng)應(yīng)變與編程效率達(dá)到平衡。

圖3 三維液晶彈性體驅(qū)動(dòng)器的成型制造

  該方法的幾何“無感知”特性，使得復(fù)雜結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)成為可能，包括實(shí)現(xiàn)DLP打印出的復(fù)雜液晶彈性體模型在編程后可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可逆變形；可通過模具一次性成型并賦予驅(qū)動(dòng)功能，如鱷魚、海星造型；通過局部厚度變化實(shí)現(xiàn)圖案在三維結(jié)構(gòu)上的可逆顯隱等。特別值得一提的是，該方法能在復(fù)雜折痕和局部區(qū)域自由編程，甚至實(shí)現(xiàn)局部3D形態(tài)間的相互轉(zhuǎn)換，為多模式軟體機(jī)器人設(shè)計(jì)提供了新的可能。

圖4 折紙液晶彈性體驅(qū)動(dòng)器

  研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，這一“變形即走”策略適用于大多數(shù)丙烯酸基液晶彈性體體系，可推廣至個(gè)性化定制與批量化生產(chǎn)，尤其適合軟體機(jī)器人、可穿戴柔性器件、智能傳感以及空間可展開結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域。該成果不僅在技術(shù)上解決了長期困擾LCE驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)的幾何限制問題，也在理念上展示了軟體機(jī)器人“從形到能”的新路徑，為智能材料科學(xué)注入了新的活力。

  為了推動(dòng)此項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用，團(tuán)隊(duì)與杭州之江有機(jī)硅化工有限公司/杭州之江新材料有限公司的邢浩博士開展了深入合作，圍繞著新型彈性體的工藝優(yōu)化和性能提升展開了研究。研究團(tuán)隊(duì)感謝杭州之江有機(jī)硅化工有限公司在設(shè)備、場景與技術(shù)交流方面的支持。團(tuán)隊(duì)表示，未來將繼續(xù)探索彈性體技術(shù)應(yīng)用潛力，結(jié)合材料體系優(yōu)化與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，推動(dòng)該技術(shù)向工程化與實(shí)用化發(fā)展。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-62883-8