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  開發兼具優異機械性能與快速響應能力的人工肌肉材料，是軟體機器人和智能驅動領域長期追求的目標。液晶彈性體（LCEs）能夠在熱、光等外場刺激下發生可逆形變，直接將刺激能量轉化為機械功，因而成為人工肌肉的理想候選材料。然而，如何在單一材料體系中同時實現高強度、大驅動應變和靈活的可編程性，一直是該領域亟待突破的核心難題。

圖1 木質素基液晶彈性體的分子設計思路與雙動態網絡結構示意圖

  近日，華南理工大學劉偉峰教授和廣東工業大學邱學青教授團隊獨辟蹊徑，將工業木質素這一可再生資源同時作為共價交聯增強單元和本征光熱功能單元引入液晶彈性體網絡，通過構建由酚型氨酯鍵和二硫鍵組成的雙動態交聯網絡，成功解決了高力學強度與大驅動應變難以兼得的經典矛盾。

  2026年3月20日，相關成果以“Photothermal-Responsive Lignin-Based Liquid Crystalline Elastomers: Constructing High-Performance Artificial Muscles via a Dual Dynamic Network”為題發表在 Advanced Functional Materials 上。論文第一作者為華南理工大學化學與化工學院2024級碩士生高義博，華南理工大學劉偉峰研究員和廣東工業大學邱學青教授為論文共同通訊作者。

圖2 木質素基液晶彈性體力學性能

  木質素作為自然界儲量最豐富的芳香族生物質資源，其分子結構富含苯環和酚羥基，展現出優異的π-π共軛結構和豐富的反應活性。研究團隊巧妙利用這一特性：一方面，木質素的多酚結構可與異氰酸酯形成動態酚型氨酯鍵，作為共價交聯點增強網絡；另一方面，木質素的芳香共軛結構可作為本征光熱轉化單元，實現無接觸的近紅外光驅動，擺脫了傳統光熱驅動依賴外源填料（如碳納米管、金納米棒）帶來的界面相容性和長期穩定性問題。

  在此基礎上，團隊進一步引入動態二硫鍵，構建了酚型氨酯鍵-二硫鍵雙動態網絡。通過系統的配方優化和結構調控，所制備的木質素基液晶彈性體（DLCE-PUs）展現出卓越的綜合性能。其拉伸強度達21.5 MPa，斷裂伸長率超過750%，顯著優于傳統單網絡液晶彈性體（通常<5 MPa），亦高于大多數已報道的同類體系。在驅動性能方面，該材料在無外力條件下可實現33.3%的可逆驅動應變；在0.3 MPa恒定應力下，驅動應變可提升至40.0%，驅動應力達0.35 MPa，能量密度達30.0 kJ/m3，已超過哺乳動物骨骼肌的典型水平。此外，100次連續熱驅動循環測試表明，驅動應變在前20次循環中從33.3%平穩過渡至28.0%，后續80次循環保持穩定，展現出優異的抗疲勞性能。

圖3 木質素基液晶彈性體的驅動性能

  機理研究揭示了雙動態網絡協同作用的微觀機制：在160 ^oC的編程溫度下，酚型氨酯鍵發生可逆斷裂，為液晶鏈段的重新取向釋放網絡約束，同時二硫鍵的交換則輔助取向；在75 ^oC的退火過程中，酚型氨酯鍵與二硫鍵同步重組，共同鎖定鏈段取向結構；在25-90 ^oC的驅動溫度下，兩種動態鍵均保持穩定，確保網絡骨架完整，僅液晶基元發生可逆相變。酚型氨酯鍵的動態性是實現高驅動應變的關鍵——它不僅提供力學增強，更通過編程溫度下的可逆斷裂為液晶鏈段取向提供了必要的自由度，賦予了靈活的可編程能力。

圖4 木質素基液晶彈性體的驅動機理

  在應用演示中，材料成功實現了可逆彎曲、負載舉升（可舉升100倍自身重量）以及模擬人體骨骼肌的抬臂運動，充分展示了其在人工肌肉領域的應用潛力。本研究首次將工業木質素同時作為增強組分與本征光熱功能單元引入液晶彈性體網絡，通過酚型氨酯鍵與二硫鍵的分階段協同，成功突破了力學性能、驅動功能與編程手段三者之間的矛盾。這一策略不僅實現了生物質資源的高值化利用，也為開發下一代高性能、可持續的軟體機器人和人工肌肉材料開辟了新路徑。

  該工作得到國家自然科學基金（22478133、U23A6005、22222805、22038004）等項目的資助。

  原文鏈接： https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.75049

  近年來，劉偉峰-邱學青團隊專注于木質素在高分子材料中的高值利用研究，不追熱點，堅持把冷板凳坐穿，在木質素改性橡膠、塑料、聚氨酯、膠黏劑、彈性體等體系，利用木質素本身的天然結構和功能優勢，實現了對不同高分子體系的增強增韌高性能化及功能化，為木質素這一大宗工業生物質資源在高分子材料領域的高值利用探索新理論和新方法。歡迎交流合作，推動應用轉化。