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  受到軟體動物身體運動靈巧性和敏捷性的啟發，能夠將外部刺激轉化為變形和運動的軟致動器已被開發出來，并在軟機器人、人造肌肉、可穿戴設備和生物醫學等領域顯示出廣泛的應用前景。與傳統的剛性致動器相比，軟致動器具有出色的靈活性和豐富的可操作性。軟致動器的運動通常來自能夠主動響應外部刺激的軟材料，如磁流變材料、形狀記憶聚合物、光響應凝膠等。然而，單激勵驅動可能受到環境適應性差和單一運動模式的限制，而集成多刺激響應的多激勵驅動有望解決這個問題。因此，開發具有多刺激響應的軟致動器以適應復雜的運動要求成為一項挑戰。

  鑒于此，中國科學技術大學龔興龍教授團隊利用拉伸取向、光固化和液體封裝策略，開發了用于軟致動器的復合材料，其具有對光熱效應和磁場的多刺激響應。在近紅外光刺激下，具有熱致形狀記憶效應的液晶彈性體部件表現出向光彎曲，而復合材料表現出定向彎曲，并且在多激勵驅動下展現出原位轉向和沿特定路徑爬行的能力。相關研究成果近日以“Multi-stimulus responsive soft actuator with thermotropic shape memory and local magnetic programming properties”為題發表在《Composites Part B: Engineering》上。論文第一作者為中國科學技術大學工程科學學院博士研究生孫玉璽，通訊作者為龔興龍教授和桑敏特任副研究員。

  為了實現多刺激響應驅動模式，將含有碳納米管（CNTs）的液晶彈性體（LCE）、磁流變液（MRF）和Ecoflex組裝成柔性復合材料LCE-CNT/MRF/Ecoflex（LCME）。其中，LCE是一種網狀結構材料，通過將液晶基元嵌入彈性聚合物中并適度交聯而形成，兼具軟彈性和熱致形狀記憶特性。在CNTs的光熱效應輔助下，溫度升高導致含有CNTs的LCE（LC）中液晶基元的重新排列，使LC在初始配置和熱致配置之間實現可逆的雙向變形。無添加劑的高性能磁流變液是通過離子液體和硅油混合作為載液制備的，并為LCME提供磁引導和運動方向控制。

圖1. 拉伸取向、光固化和液體封裝策略

  多疇LCE經過拉伸取向和紫外光固化制備成單疇LCE，廣角X射線散射（WAXS）圖譜表明LCE從各向同性排列結構轉變為沿預拉伸方向取向的定向排列結構。單疇LCE在熱刺激下從向列相轉變為各向同性相（多疇LCE），導致宏觀尺度上的收縮變形，這種可逆變形能力被稱為熱致形狀記憶特性。含有0.2 wt% CNTs的單疇LCE樣品LC0.2表現出最高的吸光度。此外，單疇LCE的斷裂應力增加了近5倍，其彈性模量和拉伸強度顯著增加。

圖2. LCE和LC的結構特征

  IL-SO-MRF是基于離子液體和硅油混合載液的無添加劑高性能磁流變液，表現出明顯的MR效應。無磁場時表現出液體的流動性，有磁場時磁性顆粒沿磁場方向排列成鏈狀結構，IL-SO-MRF也從液態轉變為類固態。儲能模量和損耗模量的變化體現出IL-SO-MRF狀態的變化。IL-SO-MRF的剪切應力隨著羰基鐵粉（CIP）含量的增加而增加。在LCME的致動運動中，單獨的光熱致動沒有指向性，而IL-SO-MRF的磁特性為LCME的變形提供了受力點，從而可以引導制動器的運動方向。

圖3. IL-SO-MRF的磁流變性能

  CNTs的添加使LC表現出顯著的光熱效應，LC中光熱效應產生的最高溫度與近紅外光輻射照度呈線性相關。LC在光熱變形循環實驗中表現出優異的循環穩定性和耐久性。在近紅外光的短暫照射下，LC的兩側溫差導致不同的收縮變形，由于被照射側的溫度較高，發生了向光彎曲。LC的致動應力可達0.35 MPa，表現出優秀的致動性能。由于Ecoflex層的透光性和光不敏感性，當LCME的兩側分別受到近紅外光照射時，都會發生向L側彎曲的定向變形，表現出高效的光熱效應和優異的彎曲致動性能。

圖4. LC和LCME的光熱效應和變形

  在大約13倍于其自身重量的負載下，LC在近紅外照射下發生28.6%的收縮應變以提升重物。通過結構設計開發出LCEc（由LC與Ecoflex復合而未引入MRF）軟致動器，在近紅外光單激勵致動下，其可以在棘板上執行單向爬行運動。通過有限元仿真模擬了爬行過程中的變形和位移。然而，LCEc軟致動器的運動受到應用場景和運動自由度的限制。

圖5. LCEc的光熱致動

  LCME在光熱效應下的熱致變形是無方向性的，而磁場可以為其提供一個施力點，從而引導和控制LCME的運動方向。LCME的臨界致動磁場與IL-SO-MRF的屈服應力呈正相關。在LCME的制備過程中，可以自主設計IL-SO-MRF的填充區域，這體現了LCME軟致動器結構的局部磁編程特性。與LCEc相比，通過在LCME的變形和恢復過程中實施磁制導，LCME可以在平面上進行雙向爬行和原位轉向。這不僅簡化了致動器的結構設計，而且提高了其環境適應性和運動自由度。通過將LCME爬行致動器的雙向爬行和原位轉向相結合，它可以成功地在平面上實現自由爬行并避開障礙物。

圖6. LCME的光熱和磁致動

  綜上所述，本研究通過將具有光熱效應的液晶彈性體（LC）、具有磁引導特性的磁流變液（IL-SO-MRF）和軟材料Ecoflex相結合，開發了一種具有熱致形狀記憶和局部磁編程特性的軟致動器LCME。該LCME軟驅動器結合了雙向爬行和原地轉向兩種運動模式，具有避障能力，實現了沿指定路徑爬行的復雜運動。通過結合光熱效應和磁場的多激勵致動，簡化了致動器的結構設計，提高了致動器的環境適應性和運動自由度。該工作表明，多激勵驅動有利于豐富軟驅動器的運動模式，并為軟機器人的發展指明了一個潛在的發展方向。

  原文鏈接：

  Yuxi Sun, Min Sang, Wenwen Li, Zimu Li, Yu Wang, Huaxia Deng, and Xinglong Gong. Multi-stimulus responsive soft actuator with thermotropic shape memory and local magnetic programming properties. Composites Part B: Engineering, 2025, 112964. DOI: 10.1016/j.compositesb.2025.112964.

  https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2025.112964