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  液晶彈性體（Liquid Crystal Elastomers, LCEs）作為兼具聚合物網(wǎng)絡(luò)彈性和液晶基元各向異性的智能材料，在外界刺激（如溫度、光、電場(chǎng)等）作用下，液晶基元可發(fā)生從向列相（有序態(tài)）向各向同性相（無(wú)序態(tài)）的可逆轉(zhuǎn)變，從而驅(qū)動(dòng)聚合物網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生宏觀形變（如收縮、彎曲等）。得益于其高驅(qū)動(dòng)應(yīng)變、可編程形變能力及可逆響應(yīng)特性，液晶彈性體在人工肌肉、軟體機(jī)器人及柔性驅(qū)動(dòng)器領(lǐng)域展現(xiàn)出重要潛力。

  然而，當(dāng)前液晶彈性體的熱致形變性能仍存在若干關(guān)鍵性限制：驅(qū)動(dòng)溫度閾值普遍超過80℃，遠(yuǎn)超人體耐受范圍（<40℃），嚴(yán)重制約了其在生物醫(yī)學(xué)及可穿戴設(shè)備領(lǐng)域的應(yīng)用潛力；動(dòng)力學(xué)性能不足，形變恢復(fù)時(shí)間通常是驅(qū)動(dòng)時(shí)間的3~4倍。這種高驅(qū)動(dòng)能壘與緩慢的恢復(fù)動(dòng)力學(xué)特性共同導(dǎo)致了液晶彈性體在低能耗刺激條件下的響應(yīng)速率受限和循環(huán)驅(qū)動(dòng)效率低下。因此，開發(fā)兼具低溫驅(qū)動(dòng)特性（工作溫度<40℃）與快速響應(yīng)能力（恢復(fù)時(shí)間與驅(qū)動(dòng)時(shí)間相當(dāng)）的新型液晶彈性體，已成為該領(lǐng)域亟待突破的研究重點(diǎn)。

文章亮點(diǎn)：

  近日，江蘇大學(xué)徐琳教授、丁建寧教授課題組與北京理工大學(xué)陶然副教授、美國(guó)科羅拉多大學(xué)Franck教授通過跨學(xué)科合作，成功開發(fā)出具有突破性性能的新型人體體溫驅(qū)動(dòng)超拉伸液晶彈性體。該研究創(chuàng)新性地提出了螺旋編程取向制備技術(shù)，通過兩階段巰基-丙烯酸酯邁克爾加成與光聚合反應(yīng)，研制了預(yù)編程應(yīng)變高達(dá) 2500% 的超拉伸液晶彈性體，超越了傳統(tǒng)液晶彈性體的應(yīng)變極限。特別值得關(guān)注的是，在此基礎(chǔ)上制備的超拉伸液晶彈性體LCE-25驅(qū)動(dòng)器展現(xiàn)出優(yōu)異的低溫驅(qū)動(dòng)特性，極大降低了液晶彈性體驅(qū)動(dòng)器所需的響應(yīng)溫度，可實(shí)現(xiàn)25~33 ℃驅(qū)動(dòng)溫度下16.75°/s的熱形變。

  2025年6月23日，該研究以“Body temperature actuated liquid crystal elastomers from hyper tensile preprogramming”為題發(fā)表在國(guó)際著名TOP期刊《Advanced Functional Materials》上（IF 18.5）。

圖1. LCE-25的制備。（A-B）RM257液晶單體、硫醇交聯(lián)劑、擴(kuò)鏈劑的化學(xué)結(jié)構(gòu)及液晶多疇聚合物；（C）采用傳統(tǒng)單軸拉伸法制備常規(guī)預(yù)應(yīng)變的LCE-2；（D）采用螺旋纏繞拉伸法制備超拉伸預(yù)應(yīng)變的LCE-25；（E）單疇?wèi)B(tài)下紫外光固化；（F）液晶彈性體表面靜電紡絲納米銀線網(wǎng)絡(luò)示意圖。

  通過X射線散射揭示了 超拉伸液晶彈性體 的微觀結(jié)構(gòu)。WAXS二維散射圖顯示，未經(jīng)預(yù)拉伸的多疇液晶彈性體在不同溫度下均呈現(xiàn)漫散環(huán)狀圖案，表明液晶基元取向隨機(jī)。而在預(yù)應(yīng)變拉伸后 (LCE-25和 LCE-2)，圖案轉(zhuǎn)變?yōu)槊黠@的取向弧，清晰表明了應(yīng)力誘導(dǎo)的液晶基元取向。通過取向度因子S分析其微觀有序化程度，研究發(fā)現(xiàn)超拉伸液晶彈性體具有全溫度范圍內(nèi)增強(qiáng)的液晶基元有序度，且其取向度因子在 20~33 ℃ 溫區(qū)間變化顯著，這為低溫（人體體溫）驅(qū)動(dòng)應(yīng)用提供了關(guān)鍵基礎(chǔ)。

  同時(shí)，研究系統(tǒng)性地探討了預(yù)應(yīng)變和樣品厚度對(duì)驅(qū)動(dòng)特性的影響，發(fā)現(xiàn)增加預(yù)應(yīng)變與提升驅(qū)動(dòng)與恢復(fù)速度呈高度正相關(guān)。該超拉伸液晶彈性體超薄化后仍能保持卓越的力學(xué)性能。在 102.5 g 負(fù)載條件下，它可實(shí)現(xiàn)約 10% 的驅(qū)動(dòng)應(yīng)變，且驅(qū)動(dòng)與恢復(fù)時(shí)間均達(dá)到秒級(jí)，克服了傳統(tǒng)液晶彈性體的動(dòng)力學(xué)遲滯問題。特別引人注目的是，超拉伸液晶彈性體的工作密度高達(dá) 1.5 MJ/m3，超越生物骨骼肌工作密度（40–60 kJ/m3）的25 倍，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)數(shù)量級(jí)提升。

圖2：LCE-25與LCE-2的結(jié)構(gòu)對(duì)比。（A）LCE-25經(jīng)預(yù)拉伸至初始長(zhǎng)度25倍后的圖像；（B）多疇樣品LCE-p（左）、LCE-2（中）和LCE-25（右）在20 ℃、33 ℃、60 ℃和85 ℃的WAXS二維散射圖；（C）33 ℃時(shí)多疇LCE、LCE-2和LCE-25的一維散射曲線；（D）33 ℃時(shí)WAXS譜徑向積分隨χ角的變化曲線；（E）LCE-2與LCE-25取向度因子S隨溫度的變化關(guān)系。

圖3：LCE-25與LCE-2驅(qū)動(dòng)恢復(fù)特性表征。（A）靜止長(zhǎng)度為L₀的樣品加載配重后拉伸至L₀+L₁，總驅(qū)動(dòng)位移△L；（B）驅(qū)動(dòng)應(yīng)變△L/L_α與標(biāo)稱應(yīng)力的關(guān)系；（C）驅(qū)動(dòng)速度隨標(biāo)稱應(yīng)力的變化曲線；（D-E）LCE-25與LCE-2在不同載荷下的熱機(jī)械分析；（F）熱機(jī)械分析測(cè)試中LCE-25與LCE-2的歸一化應(yīng)變-溫度曲線；（G）采用螺旋纏繞拉伸法制備的不同預(yù)應(yīng)變/厚度樣品分布；（H-I）驅(qū)動(dòng)/恢復(fù)速度與預(yù)應(yīng)變及厚度的標(biāo)度分析。

  得益于改善的液晶基元有序度和超薄的厚度，超拉伸液晶彈性體LCE-25驅(qū)動(dòng)器在彎曲/恢復(fù)/升溫/降溫速率及熱變形率上具有較傳統(tǒng)液晶彈性體全面增強(qiáng)的熱應(yīng)變性能。它在25-33℃的低溫刺激下表現(xiàn)出優(yōu)異的驅(qū)動(dòng)性能，能夠通過接觸傳導(dǎo)、輻射和對(duì)流等人體體溫?zé)醾鬟f方式實(shí)現(xiàn)快速可逆的形變響應(yīng)。

圖4：LCE-25的人體溫度驅(qū)動(dòng)。（A）手指接觸使得LCE-25熱傳導(dǎo)加熱產(chǎn)生熱致彎曲形變。（B）手指跟隨使得LCE-25熱輻射加熱產(chǎn)生熱致彎曲形變。（C）人體呼吸使得LCE-25對(duì)流加熱產(chǎn)生熱形變。（D-E）三種加熱模式的彎曲角度-時(shí)間曲線、溫度-時(shí)間曲線及彎曲/加熱速率。

視頻1: 人體體溫刺激（接觸、輻射和對(duì)流等加熱模式）下的形變

  進(jìn)一步，研究開發(fā)了光驅(qū)動(dòng)滾輪結(jié)構(gòu)和仿生蜻蜓撲翼系統(tǒng)等，展示了超拉伸液晶彈性體在柔性驅(qū)動(dòng)器和軟體機(jī)器人系統(tǒng)中的潛在應(yīng)用。其中，仿生蜻蜓撲翼系統(tǒng)通過創(chuàng)新的旋轉(zhuǎn)遮光板設(shè)計(jì)，在保持紅外激光器持續(xù)激發(fā)的條件下，實(shí)現(xiàn)了光脈沖頻率與占空比的精確調(diào)控，從而驅(qū)動(dòng)蜻蜓翅膀的周期性拍打，實(shí)現(xiàn)連續(xù)的自主撲翼運(yùn)動(dòng)。

圖5：LCE-25驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)。（A）近紅外光源、旋轉(zhuǎn)遮光罩與LCE-25蜻蜓的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。（B）遮光罩旋轉(zhuǎn)觸發(fā)周期性驅(qū)動(dòng)。（C）不同近紅外強(qiáng)度下蜻蜓溫度-時(shí)間曲線。（D）兩種頻率下的撲翼角度與溫度同步變化曲線。（E）振蕩運(yùn)動(dòng)期間翼面x-z平面軌跡。（F）近紅外驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)輪示意圖。（G）旋轉(zhuǎn)輪周期運(yùn)動(dòng)的紅外圖像。（H）旋轉(zhuǎn)輪實(shí)驗(yàn)的位移/溫度隨時(shí)間的變化。

  為驗(yàn)證超拉伸液晶彈性體在低溫環(huán)境下的實(shí)用性能，研究構(gòu)建了智能窗系統(tǒng)，窗戶可隨環(huán)境溫度變化實(shí)現(xiàn)智能的開啟和關(guān)閉。未來(lái)，可繼續(xù)將該材料的環(huán)境溫度自適應(yīng)行為轉(zhuǎn)化為更復(fù)雜的機(jī)械形變和控制，探索其在柔性驅(qū)動(dòng)、可穿戴設(shè)備等領(lǐng)域的更多潛在應(yīng)用。

視頻2: 環(huán)境（人體）溫度控制開關(guān)的智能窗戶

  江蘇大學(xué)徐琳教授、北京理工大學(xué)陶然副教授和科羅拉多大學(xué)Franck教授為該論文的共同通訊作者，研究生朱陳和Samuel為論文的共同一作，江蘇大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院為該論文的第一單位。該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(52275290)、國(guó)家自然科學(xué)基金“共融機(jī)器人基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)研究”重大研究計(jì)劃集成項(xiàng)目（92248301）、機(jī)械系統(tǒng)與振動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室科研項(xiàng)目（MSV202419）、工程仿生教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金(KF2023006)等項(xiàng)目的支持。

  論文信息：

  Body temperature actuated liquid crystal elastomers from hyper tensile preprogramming. Lin Xu, Chen Zhu, Samuel C. Lamont, Ran Tao, Yiqi Mao, Zongben Guan, Lizhi Zhang, Jianning Ding, Franck J. Vernerey,   Advanced Functional Materials, 2025, 2424033.

  https://doi.org/10.1002/adfm.202424033

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