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  傳統機器人由于依賴剛性電機和齒輪等復雜機構，體積龐大且笨重，難以滿足與生物運動系統的交互需求。采用柔性且輕質的軟體驅動器作為替代方案被認為是解決這一問題的有效途徑。液晶彈性體（LCE）在熱刺激下能夠產生大幅度的可逆驅動，是一種重要的軟體驅動器。然而，LCE的實際應用仍面臨兩個亟待解決的問題：1) 驅動性能不足；2) 加工制備過程復雜。因此，開發具有優異驅動性能且易于加工制備的LCE是當前的重要挑戰。

  上海交通大學的劉湍和林秋寧等人通過一步無溶劑、無催化劑聚合反應，成功合成了帶有甲基側基的高分子量線性LCE（LLCE-0.5-1）。該結構有助于形成高密度的分子鏈纏結（圖1）。鏈纏結作為物理交聯，顯著提升了LCE的力學性能，并使其達到創紀錄的驅動做功性能（1,427 kJ m^-3）。此外，鏈纏結的可逆性賦予材料類似熱塑性塑料的易加工特性，可以通過熱壓、開煉和熔融擠出等工藝實現材料加工。基于這些優勢，作者成功制備了僅重8.7 g的可穿戴驅動器件，能夠可逆地提起成年男性的前臂，展現出卓越的做功能力。

圖1. 本工作的設計原理及材料性能

  在驅動性能方面，作者設計了一種“起重機”裝置（圖2）。在加熱-冷卻循環刺激下，該材料能夠可逆地提起自身6000倍的物體，并且在多次循環后，尺寸保持不變，證明其驅動性能穩定。通過搭載不同質量的砝碼進行測試，結果表明隨著負載增加，其做功能力逐漸提升，在3.6 MPa的負載下達到了1472 kJ m^-3的峰值，這是目前已知LCE中最高的。此外，通過調節加熱溫度可精確控制驅動幅度。在2.1 MPa的負載下，驅動應變從85 ℃時的17%逐漸增加至105 °C時的34%，并在120 °C時達到最大值52%。相較于當前LCE通常因液晶相的一階相變而導致不連續的形變，這種可調且可控的驅動方式實現了重大突破。

圖2. 材料能夠實現高能量且精確可控的負載驅動能力

  在加工性能方面，作者分別研究了溶劑加工和熔融加工兩種方法（圖3）。對于溶劑加工，作者通過滴加二氯甲烷（DCM）溶劑，使其滲透到材料中，增強分子鏈的運動能力，隨后在外力作用下將兩片材料焊接在一起。焊接后的樣品展現出1.82 MPa的粘接強度。該粘接工藝可在室溫下完成，無需額外的粘合劑，從而便于制造復雜結構的驅動器。作為概念驗證，作者將五個可逆彎曲和伸直的LLCE-0.5-1薄膜粘接成五指形態。對于熔融加工，作者使用雙螺桿擠出機成功擠出連續纖維。此外，作者還分別使用開煉機和熱壓機對材料進行加工。開煉機用于摻入炭黑以制備復合材料，而熱壓機用來將剪成碎片的材料重新熱壓成片材。這些結果表明，LLCE-0.5-1可以像傳統熱塑性塑料一樣進行加工。

圖3. 材料具有類似于熱塑性塑料的加工性能

  最后，作者結合LLCE-0.5-1在驅動性能和可加工性能方面的優勢，成功制備了可穿戴軟體驅動器。為了有效驅動成年人的前臂，至少需要30 N的力，而現有的LCE材料難以達到這一要求。作者使用一束僅重0.84 g的LCEs，能夠可逆地提起一個3 kg的砝碼，產生31.5 N的力，驅動應變達30%，驗證了其實驗可行性。基于此，作者通過四個主要步驟設計并制造了由電熱驅動的可穿戴驅動裝置（圖4）。將該裝置佩戴在成年男性的手臂上，通過調節電流來控制驅動溫度。針對手臂驅動過程中的受力分析表明，在提升過程中所需驅動前臂的力逐漸減小，最終實現了46.5%的最大驅動應變。該裝置僅重8.7 g，且運行時完全靜音。與傳統氣動執行器相比，該裝置不僅輕便、無噪音，而且結構簡單，實現了顯著的技術突破。

圖4. 可穿戴驅動器能夠可逆提起人體前臂

  相關成果以“Enabling Ultra-High Work Capacity and Scalable Processability of Liquid Crystal Actuators through Densely Entangled Structures”為題發表在《Advanced Materials》期刊上。上海交通大學碩士研究生李彩彩為該論文的第一作者，劉湍副研究員和林秋寧研究員為通訊作者，團隊的朱麟勇教授提供了重要支持和悉心指導。本研究得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、交大2030計劃項目的資助。

  原文鏈接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202513876

  注：歡迎開展合作研究，有意者請來信郵箱（tuan-liu@sjtu.edu.cn）。