刺激响应形变液晶弹性体纤维及其功能器件研究

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液晶弹性体(LCE)能够响应外部刺激进行大尺度、可逆和可编程的变形,在许多领域中具有巨大的应用潜力,例如人工肌肉、软体机器人、微机械系统、传感器、微流体和智能穿戴设备等。尽管这种刺激响应材料具有令人兴奋的应用前景,但目前基于液晶弹性体的柔性执行器仍然有很多不足,例如变形模式单一、自由度(DOF)低、难以同时获得可观的长度变化和强劲的响应应力、缺乏可规模化的制造方法等,这些因素严重限制了液晶弹性体柔性执行器的实际工程适用性。受植物卷须螺旋形成机制的启发,我们设计并制备了仿生自缠绕液晶弹性体纤维执行器,它具有多种可控变形模式(如收缩、弯曲、扭曲、盘绕和螺距缩短),超大收缩率(1750%)和超强激发应力(~3.4MPa)的组合,光机械可靠性高(经历1000次光致形变循环而没有明显疲劳),并且易于规模化制造。单一液晶弹性体纤维执行器可以同时进行两种或三种变形,从而实现复杂的变形行为来操纵物体(如抓取、转移、提升和缠绕),甚至驱动齿轮组。结合自缠绕液晶弹性体纤维执行器的高自由度、可调形变模式、光机械可靠性和批量化制备,仿生自缠绕液晶弹性体纤维执行器有望开发成可工程应用的高性能人工肌肉。基于液晶弹性体纤维执行器的多自由度及其优异的光机械性能,我们创建了一个光控自动循环运动新系统,该系统具有多种自主自动循环运动模式、不同模式之间的可控转换以及负载对外做功的能力。新系统不仅可以可控地产生三种基本的自动循环运动模式,还可以产生各种复杂的复合自动循环运动。而且,在连续工作超过1270000次循环而没有出现明显的疲劳,表现出很高的可靠性。基于液晶弹性体纤维,我们开发了一种三维柔性执行器的加工新方法,该方法分为两步:第一步通过模具法制备得到液晶弹性体纤维,以取向的液晶弹性体纤维作为基本组装结构单元;第二步,通过纤维编织的方式将液晶弹性体纤维组装成各种三维结构的液晶弹性体执行器。利用不同编程方式不仅可以得到具有多种形变模式的管状执行器,还可以获得具有复杂形态的多功能响应型柔性执行器。管状液晶弹性体执行器不仅可以传输和控制流体,还可以充当具有强大运输能力的软机器人。具有多模式驱动和可编程形状转变的管状执行器可以为微流体、医疗设备和软体机器人的设计提供创新解决方案。
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