近红外光响应液晶弹性体及其柔性执行器研究

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液晶弹性体(LCE)是一种兼具橡胶高弹性和晶体各向异性的智能高分子材料,因其对外界的刺激(如光、电、磁、热)会产生显著的响应行为(如收缩/膨胀)而被广泛应用于各种执行器的制备。对于光响应液晶弹性体,常见的驱动机制包含了光化学驱动和光热驱动,光化学驱动目前主要依赖于紫外光刺激偶氮苯产生异构化效应,但是紫外光对环境不友好,对人体健康有害,因此限制了其实际的应用。近红外光(NIR)具有良好的生物安全特性,常用于生物医疗领域研究。作为刺激源,近红外光具有良好的光热效应,是通过光热效应驱动LCE的理想方式。因此,本文着眼于利用近红外光驱动液晶弹性体,设计合成近红外吸收单体,选择恰当的材料化学方法制备近红外响应LCE,通过进一步的材料加工设计出不同的LCE执行器,并深入探究执行器的刺激响应形变功能和应用。(1)设计合成出双丙烯酸克酮酸菁染料,该染料具有很强的近红外吸收强度;然后通过硫醇-烯点击反应,采用机械拉伸的方法制备出高性能单轴取向的LCE薄膜,进一步表征了LCE的紫外可见吸收光谱、光热效应、拉伸性能、光机械性能以及二维X射线衍射(2D-XRD)等。结果显示LCE具有良好的近红外吸收性能、热稳定性和机械性能,通过NIR驱动可以产生~42%的收缩应变和1.6 MPa驱动强度,在NIR的驱动下可以拉动自身24456倍的重物,表现出卓越的光响应驱动能力。(2)利用LCE制备一种具有地形自适应能力的微型软体机器人。这种软体机器人采用一种通用的趋光性操控策略可以在一些具有挑战性的地形上进行驱动和定向移动。由于软体机器人采用的LCE具有强大的光机械驱动力,所以能够在持续的近红外光刺激下产生自主可持续的滚动运动。在穿越各种简单的或复杂的地形,甚至是具有不同拓扑结构、力学和流变学的混合地形时,软体机器人所表现出的运动能力超过了以前报道的微型机器人,表现出卓越的地形自适应能力。这种自适应地形的软体机器人还可以通过近红外的操控方向性地跳过跨栏,利用跳高行为克服高墙障碍等等。我们设计的微型软体机器人具有适应不同的地形的能力,能够在不可预知的环境中完成多项任务。(3)利用LCE设计了一种具有多形变模式和多功能性的LCE执行器。通过对LCE执行器在空间或局部进行NIR光刺激,实现LCE执行器应变梯度的方向和大小的编程,从而产生多种形变模式。该方法不仅可以使执行器产生多种变形模式,而且可以在单个执行器中实现不同形变模式之间的可逆切换。凭借这种变形能力,执行器能够做出多种运动模式,包括纵向爬行、横向平移移动、旋转、翻跟斗、滚动以及快速摇摆震荡等。此外,具有较强运动能力的执行器不仅能够方向性可控的自由移动,还可以凭借强大的驱动力从沉重的重物下面移动逃脱,甚至可以游泳通过狭窄管道。这种光驱动可重构的材料系统将为开发多模式形变、多功能智能软机器人打开更多可能性。(4)仿生设计了一个波动机器人系统,该系统不仅可以根据需要构建出三维波浪形态,而且波浪还可以在单片LCE软人工肌肉中实现自主传播。该系统的设计策略结合了植物形貌的产生和鳐鱼的波动运动两个原理。前者提供了一种基于差别化生长的形貌产生原理,可以将整个LCE人造肌肉变形为目标波型形态,而后者启发了一种波动驱动原理,通过有节奏的运动模式诱导三维波自主传播。该波浪系统可以作为“柔性发动机或马达”,实现定向移动、货物智能运输和自主推进等。该系统甚至能够产生可编程的、复杂的人工蠕动波。我们的设计实现了柔性软机器人系统中可控地形成三维波浪形态和自动波浪行为,有望应用于先进机器人、自适应的柔性机器、能量铺获、自调节机械系统等前沿领域。
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