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  近年來(lái)，柔性機(jī)器人在生物醫(yī)學(xué)和航空航天等各領(lǐng)域顯示出巨大的應(yīng)用潛力。其中，全柔性機(jī)器人，因其更加安全的人機(jī)互動(dòng)、更好的驅(qū)動(dòng)性能以及能夠避免由軟硬材料結(jié)合界面引起的反復(fù)故障等優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注。液晶彈性體（Liquid-Crystalline Elastomers, LCEs），因其具有優(yōu)異的雙向形狀記憶性能及多種刺激響應(yīng)性能，在全柔性機(jī)器人的制備中具有十分明顯的優(yōu)勢(shì)。為了使液晶彈性體全柔性機(jī)器人展示出更高的靈活性和實(shí)現(xiàn)更加復(fù)雜的功能，通常需要將不同網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成的液晶彈性體材料結(jié)合，從而使其不同的部位根據(jù)不同的需求展現(xiàn)出不同的功能。然而，目前的液晶彈性體全柔性機(jī)器人大多基于同種材料，缺乏能夠制作由多種材料構(gòu)成的液晶彈性體全柔性機(jī)器人的方法。

  近日，清華大學(xué)化學(xué)系危巖教授和吉巖副教授課題組提出了一種能夠?qū)⒉煌N類(lèi)的液晶彈性體材料在取向的同時(shí)進(jìn)行焊接的方法，用于制作多材料液晶彈性體全柔性機(jī)器人。該方法利用巰基和碳碳丙烯酸雙鍵的“點(diǎn)擊反應(yīng)”在室溫構(gòu)建多疇液晶彈性體體系，并使體系中“存有”過(guò)量的雙鍵。這些過(guò)量的雙鍵高溫時(shí)在預(yù)先“嵌入”體系的熱引發(fā)劑AIBN的引發(fā)下進(jìn)行熱聚合反應(yīng)，進(jìn)而能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)液晶彈性體的取向及焊接（圖1）。

圖1、LCEs的取向及焊接演示圖。（A）基于過(guò)量丙烯酸雙鍵的焊接原理演示。（B）基于過(guò)量丙烯酸雙鍵的取向原理演示。（C）基于AIBN熱引發(fā)的丙烯酸雙鍵聚合機(jī)理。（D）通過(guò)同時(shí)“取向”與“焊接”實(shí)現(xiàn)單疇LCEs的焊接效果。標(biāo)尺：5 mm。

  使用這種基于“碳碳丙烯酸雙鍵過(guò)量”的方法，不僅能夠得到熱驅(qū)動(dòng)穩(wěn)定性能十分優(yōu)異的多種雙向形狀記憶模式（例如，絲帶狀螺旋-解螺旋、彈簧狀螺旋-解螺旋、卷曲-伸直、彎曲-伸直以及凸起-平整）（圖2），同時(shí)，還能夠?qū)崿F(xiàn)液晶彈性體片狀樣品之間的無(wú)縫焊接，當(dāng)使用“同時(shí)取向和焊接”這種方法時(shí)，則能夠得到結(jié)構(gòu)靈活復(fù)雜且熱驅(qū)動(dòng)性能穩(wěn)定的多種三維柔性驅(qū)動(dòng)器（圖3）。

圖2、LCEs的驅(qū)動(dòng)性能。（A）LCE-1的化學(xué)組成。（B）LCEs的雙向螺旋-解螺旋熱驅(qū)動(dòng)模式。（C）LCEs的雙向卷曲-伸直（左）、彎曲-伸直（中）以及凸起-平整（右）熱驅(qū)動(dòng)模式。（D）1000圈熱驅(qū)動(dòng)前后LCEs的驅(qū)動(dòng)穩(wěn)定性。標(biāo)尺：5 mm。

圖3、焊接成功的證據(jù)及形成的三維柔性驅(qū)動(dòng)器。（A）焊接前后的SEM。（B）不同雙向熱驅(qū)動(dòng)模式的結(jié)合。（C）“風(fēng)車(chē)”柔性驅(qū)動(dòng)器。（D）“電風(fēng)扇”柔性驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的連續(xù)過(guò)程。（E）“章魚(yú)”柔性驅(qū)動(dòng)器。標(biāo)尺：5 mm。

  除了同種LCEs材料的不同驅(qū)動(dòng)模式的結(jié)合，該方法還能夠?qū)崿F(xiàn)不同種類(lèi)LCEs材料的焊接，以實(shí)現(xiàn)整體材料的多功能性（例如，能夠得到可以用程序升溫控制的三段式甚至多段式逐步雙向柔性驅(qū)動(dòng)器，以及可以對(duì)光和熱進(jìn)行雙重響應(yīng)且在光和熱的刺激下驅(qū)動(dòng)模式不同的復(fù)合柔性驅(qū)動(dòng)器）（圖4）。此外，該方法還可用于無(wú)縫焊接由完全不同的化學(xué)成分組成的完全不同體系的LCEs，以實(shí)現(xiàn)將所得到的柔性機(jī)器人的性質(zhì)和功能復(fù)雜化，擴(kuò)展其應(yīng)用（圖5）。

圖4、焊接異種LCEs實(shí)現(xiàn)多功能復(fù)合柔性驅(qū)動(dòng)器。（A）可用程序升溫控制的三段式逐步雙向柔性驅(qū)動(dòng)器。（B）不同種刺激源下驅(qū)動(dòng)模式不同的復(fù)合光、熱雙重響應(yīng)柔性驅(qū)動(dòng)器。標(biāo)尺：5 mm。

圖5、完全不同體系及化學(xué)組成LCEs的焊接。（A）以PMMS為主鏈的完全不同體系及化學(xué)組成的側(cè)鏈型液晶彈性體LCE-5的化學(xué)組成和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)演示。（B）完全不同體系及化學(xué)組成的主鏈型LCE-1和側(cè)鏈型LCE-5的焊接及演示。標(biāo)尺：5 mm。

  這種同時(shí)作用在LCEs上的“取向”和“焊接”方法在制備三維柔性驅(qū)動(dòng)器方面具有以下四個(gè)優(yōu)勢(shì)：1）形成的三維柔性驅(qū)動(dòng)器熱穩(wěn)定性十分優(yōu)異；2）能夠形成多種熱驅(qū)動(dòng)以及紅外光驅(qū)動(dòng)雙向形狀記憶模式，擴(kuò)展了柔性機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)模式；3）焊接方法所具有的“任意性”使得該方法可以根據(jù)需求形成任意形狀的三維柔性驅(qū)動(dòng)器，大大拓展了其種類(lèi)；4）通過(guò)雙鍵熱聚合反應(yīng)的“通用性”，使得不同體系、不同化學(xué)組成的液晶彈性體能夠被無(wú)縫焊接在一起，形成多功能多材料的液晶彈性體全柔性機(jī)器人，使其具有廣闊的應(yīng)用前景。該方法普遍適用于體系內(nèi)含有過(guò)量丙烯酸碳碳雙鍵的液晶彈性體，能夠?qū)⒏嘤山Y(jié)構(gòu)及化學(xué)組成不同帶來(lái)的優(yōu)異性能引入液晶彈性體柔性機(jī)器人的制作中，從而實(shí)現(xiàn)更加復(fù)雜的功能，極大擴(kuò)展了液晶彈性體柔性機(jī)器人的應(yīng)用。

  相關(guān)結(jié)果發(fā)表在Science Advances, DOI: 10.1126/sciadv.aay8606。文章的共同第一作者為清華大學(xué)化學(xué)系張宇白博士生和王振華博士，通訊作者為清華大學(xué)的危巖教授和吉巖副教授。清華大學(xué)化學(xué)系楊洋博士、陳巧梅博士、錢(qián)曉杰博士、梁歡博士生、仵雅禾博士生和徐艷雙博士參與了該研究。

  論文鏈接：

  Seamless multimaterial 3D liquid-crystalline elastomer actuators for next-generation entirely soft robots, 

  https://advances.sciencemag.org/content/6/9/eaay8606