文章重要内容

     传统的自驱动液晶弹性体，受限于单一的材料化学设计，仅能在特定条件（或温度范围）下实现自主运动。为了解决这一限制，作者基于扭曲带状的自驱动液晶弹性体，通过调节网络的交联密度和引入非液晶共聚单体的方法，成功实现了对自驱动液晶弹性体工作温度的精确设计。在进一步优化材料的驱动性能和力学性能后，获得了工作温度范围不同的自驱动液晶弹性体，分别实现了不同软体驱动器在升温和降温过程中的按需依次滚动。这种可调工作温度的自驱动液晶弹性体将显著拓展软机器人材料的设计应用领域。

文章背景

      液晶弹性体（LCE）是一类广泛应用的刺激响应双向变形的软材料，具有宏观变形大、响应刺激快速、驱动完全可逆等特点，是一种制备软体驱动器的理想材料，在环境勘探、信号传感和生物医疗器械等领域展现出良好的应用前景。由液晶弹性体制得的自驱动/自滚动软体驱动器，可以在没有外部控制的情况下通过与环境交互实现连续自主驱动，其相比于传统的依赖人为开关刺激的模式更加简单高效、在环境探索和能量收集方面有良好的发展潜力。

文章概述

      扭曲螺旋带状型驱动器是先前文献报道过的一种自驱动驱动器。作者设计合成了一系列不同交联密度的LCE材料，探究了其交联密度与材料的驱动应变、力学性能与相转变温度的联系。通过调节材料性能，成功实现了对驱动器的自驱动工作温度范围、驱动速度和驱动性能等参数的调控。

图1 扭曲带状型驱动器的自驱动力学分析

      基于此，浙江大学化学工程与生物工程学院郑宁团队设计合成了一系列不同交联密度的LCE材料，系统性的探究了其交联密度与材料的驱动应变，力学性能与相转变温度的联系，并将对应的材料制备成相同的扭曲带状型驱动器，从而通过材料的性能来调控驱动器的自驱动工作温度范围、驱动速度和驱动性能等相应参数。随着材料交联密度的下降，LCE的可逆驱动应变增大，从60%增大到了90%左右。但材料的杨氏模量发生下降，取向后的LCE的杨氏模量从21 MPa下降到了6 MPa。LCE的相转变温度也随着交联密度下降而下降。但工作温度区间随交联密度的下降先变宽再变窄，作者认为，这是由于当交联密度过低时，所导致的较低的模量会使软体驱动器难以维持住稳定的螺旋形状，这导致滚动过程的阻力增加，不利于自滚动。当交联密度过高时，驱动应变的下降会使软体驱动器无法在自然冷却的过程中快速恢复至螺旋形。

图2 依次驱动的自驱动器组合

      为进一步探究材料的化学设计对驱动器性能的影响，作者在高分子网络中引入非液晶组分聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA），通过调节液晶相含量来调控材料的驱动性能和力学性能等相关参数。发现随着PEGDA含量的上升，LCE材料的驱动性能和力学性能均发生下降，并且由于液晶相含量的下降，导致LCE的相转变温度降低。将其制备成驱动器后，由于材料性能的下降，驱动温度区间显著缩短，但驱动起始温度几乎不变。在得到材料参数与驱动器驱动温度的关系后，作者制备了一系列具有不同驱动起始温度的自驱动软驱动器，将其至于相同的恒温热表面上，通过升温或者降温过程，分别可以实现驱动器的按需依次滚动。

文章总结

上述工作以论文形式即将在《高分子学报》2024年印刷出版，第一作者为浙江大学化学工程与生物工程学院博士生周筱睿，通讯作者为郑宁研究员。

引用本文： 

周筱睿, 杨博, 郑宁.

驱动温度可调的依序自滚动液晶弹性体.

高分子学报,doi: 10.11777/j.issn1000-3304.2023.23306