基于刺激響應(yīng)聚合物的人造肌肉通常表現(xiàn)出機(jī)械順應(yīng)性、多功能性和高功率重量比，顯示出有可能取代傳統(tǒng)剛性電機(jī)用于下一代軟機(jī)器人、可穿戴電子產(chǎn)品和生物醫(yī)學(xué)設(shè)備的巨大前景。特別是，熱機(jī)械液晶彈性體(LCE)構(gòu)成的人造肌肉類執(zhí)行器，可以遠(yuǎn)程觸發(fā)大行程、快速響應(yīng)和高度可重復(fù)的驅(qū)動(dòng)。與天然肌肉相比，雖然LCE的速度相對(duì)較慢且能量效率低下，但這種依賴于相位和溫度的聚合物鏈構(gòu)象變化仍會(huì)導(dǎo)致肌肉樣、大、可逆的宏觀形狀變形。據(jù)報(bào)道，具有單軸排列的LCE表現(xiàn)出高達(dá)400%的自發(fā)長(zhǎng)度變化，但它們的整體變形主要限于單自由度(DOF)拉伸行程。此外，肌肉雖然同樣限于收縮驅(qū)動(dòng)，但可以以實(shí)現(xiàn)幾乎無(wú)限自由度的方式排列，如章魚(yú)觸手的肌肉靜水器附件。盡管LCE致動(dòng)器系統(tǒng)近年來(lái)已經(jīng)取得了巨大進(jìn)步，但目前還沒(méi)有包含用于控制的感覺(jué)反饋的純LCE系統(tǒng)。這種缺失可能會(huì)限制在機(jī)器人中使用LCE的好處，除非可以實(shí)現(xiàn)傳感的無(wú)縫集成。

 

鑒于此，美國(guó)康奈爾大學(xué)Robert F. Shepherd教授團(tuán)隊(duì)引入了兩個(gè)新概念來(lái)解決目前的挑戰(zhàn):(1)在3D打印LCE軟執(zhí)行器中使用數(shù)字光處理(DLP)；(2)使用機(jī)械應(yīng)變的光電測(cè)量，使打印的LCE執(zhí)行器具有自感知功能。通過(guò)內(nèi)置的剪切分離機(jī)制實(shí)現(xiàn)了LC介晶元的剪切流誘導(dǎo)對(duì)準(zhǔn)，并制作了用于可編程彎曲和大拉伸行程的單片LCE驅(qū)動(dòng)器。這些驅(qū)動(dòng)基元在3D打印LCE軟執(zhí)行器的最高工作能力下允許操作和運(yùn)動(dòng)模式（握力、爬行和舉重）。此外，通過(guò)使用適用于機(jī)器人、柔性電子和醫(yī)療設(shè)備的光電子技術(shù)還實(shí)現(xiàn)LCE執(zhí)行器的實(shí)時(shí)反饋。相關(guān)工作以“Digital light processing of liquid crystal elastomers for self-sensing artificial muscles”為題發(fā)表在國(guó)際頂級(jí)期刊《Science Advances》上。

熱機(jī)械液晶彈性體的制備及數(shù)字光處理

 

為了配制LCE液體樹(shù)脂，研究人員選擇了一鍋硫醇-丙烯酸酯/硫醇-烯點(diǎn)擊反應(yīng)（圖1A）。用于合成熱機(jī)械LCE的介晶單體分別是RM257和RM82、柔性連接劑為EDDT和三乙烯基交聯(lián)劑（TATATO）。由于混合物缺乏在室溫下連續(xù)DLP實(shí)驗(yàn)優(yōu)選的流動(dòng)特性（T m=41°C)，采用二氯甲烷(DCM)和四氫呋喃(THF)輔助來(lái)改變其流變行為，揮發(fā)性溶劑在印刷后被去除。添加1% (wt%)的光引發(fā)劑二苯基(2,4,6-三甲基苯甲酰基)氧化膦(TPO)可實(shí)現(xiàn)高效光固化，在紫外線(UV)照射3秒內(nèi)實(shí)現(xiàn)近90%的凝膠化（UV投影儀：λ = 405 nm, I = 11.4 mW cm -2）。通過(guò)使用商用桌面DLP 3D打印機(jī)Ember制造LCE執(zhí)行器，主要是因?yàn)槠鋬?nèi)置的剪切分離機(jī)制。樹(shù)脂托盤循環(huán)旋轉(zhuǎn)的示意圖如圖1D所示，最初設(shè)置是為了減少打印部件和構(gòu)建窗口之間的吸力，這種旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)被重新編程以實(shí)現(xiàn)對(duì)LCE中導(dǎo)向器對(duì)齊的空間控制。當(dāng)在每個(gè)薄層(20 μm)上滑動(dòng)時(shí)，施加在可光聚合LCE液體樹(shù)脂上的剪切力使柔性聚合物鏈主鏈中的LC介晶對(duì)齊。在松弛的時(shí)間尺度內(nèi)，聚合物鏈通過(guò)投射的紫外光聚合和交聯(lián)，以鎖定面內(nèi)取向順序，形成低模量主鏈LCE。這種對(duì)準(zhǔn)程序類似于在有限空間內(nèi)制造LCE微致動(dòng)器的成熟剪切流場(chǎng)方法。除了在沒(méi)有預(yù)交聯(lián)的情況下實(shí)現(xiàn)LCE機(jī)械取向的內(nèi)置剪切對(duì)齊之外，用于選擇性光聚合的紫外線的空間和時(shí)間控制進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了與高分辨率并行的眾多致動(dòng)器的快速制造。為了抑制每一層聚合樹(shù)脂粘附在構(gòu)建窗口上，研究人員用聚甲基戊烯(PMP)代替了傳統(tǒng)的聚二甲基硅氧烷(PDMS)，因?yàn)镻MP的表面張力低得多(<20 mN m -1)，透氧性更高和出色的透光率（25 mm樣品在405 nm處>90%）。通過(guò)重新編程樹(shù)脂托盤的滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了快速接近速度和使剪切分離力最大化的緩慢分離速度。
 

圖1 熱機(jī)械液晶彈性體的數(shù)字光處理

 

 

為了證明打印的LCE的對(duì)象操縱能力，研究人員打印了一個(gè)夾子（尺寸，18 mm×15 mm×0.2 mm；m = 75 mg）。連接到質(zhì)心的L形細(xì)繩懸掛LCE夾持器并協(xié)助舉起更重的物體，例如金屬?gòu)椈桑╩= 600 mg）。當(dāng)夾持器接近預(yù)熱的彈簧時(shí)，它會(huì)沿著垂直于其剪切打印方向的軸卷曲，并在沒(méi)有任何外部控制的情況下纏繞在彈簧上。通過(guò)將自動(dòng)抓握的彈簧轉(zhuǎn)移到接收器容器中，即使在不斷扭動(dòng)琴弦時(shí)LCE抓手也可以保持牢固的抓握力超過(guò)25秒。此外，研究人員還通過(guò)利用局部熱刺激演示了軟機(jī)器人的爬行（尺寸，118 mm×15 mm×0.2 mm）。受氣動(dòng)四足動(dòng)物步態(tài)序列的啟發(fā)，波動(dòng)序列設(shè)計(jì)為四個(gè)步驟，從靜止?fàn)顟B(tài)開(kāi)始：（i）加熱前肢（大約前三分之一段）通過(guò)將前緣靠在錨定點(diǎn)上來(lái)拉起機(jī)器人;（ii）加熱軀干（大約中間三分之一部分）進(jìn)一步抬起脊椎并將后緣拖向其先前位置之前的新錨定點(diǎn)；（iii）加熱后肢（大約后三分之一段）使其彎曲到更大的程度，儲(chǔ)存彈性能量關(guān)閉熱量，釋放彈性能量與依次放松前肢、軀干和后肢相結(jié)合，推動(dòng)機(jī)器人向前推進(jìn)，進(jìn)入新的休息狀態(tài)，為另一個(gè)驅(qū)動(dòng)序列做好準(zhǔn)備。LCE軟機(jī)器人在棘輪表面上移動(dòng)速度為20 mm min-1。
 

圖2 LCE的對(duì)象操作和移動(dòng)

 

當(dāng)在剪切打印方向上連接到懸掛重物時(shí)，LCE聚合物網(wǎng)絡(luò)沿相同方向拉伸，所有棒狀LC介晶與聚合物主鏈平行排列。通過(guò)這種方式，彎曲致動(dòng)器可以轉(zhuǎn)化為線性致動(dòng)器。為了展示它們的舉重能力并衡量這些印刷LCE的工作能力，研究人員制造了狗骨形執(zhí)行器。通過(guò)將衣架和重物安裝到執(zhí)行器的肩膀上，只有儀表部分（尺寸，25 mm×2 mm×0.8 mm）暴露在施加熱機(jī)械收縮力以響應(yīng)施加的熱量。結(jié)果表明，每單位質(zhì)量執(zhí)行器所做的功（m = 56 mg），幾乎與加載重量的質(zhì)量成正比，最大為40 g（執(zhí)行器自重的700 多倍），驅(qū)動(dòng)應(yīng)變逐漸衰減。最值得注意的是，該系統(tǒng)完成的最大特定功為 63 J kg-1，高于大多數(shù)3D打印LCE和人類骨骼肌，這歸因于增加的致動(dòng)器厚度的增加。
 

圖3 LCE執(zhí)行器的舉重運(yùn)動(dòng)

 

 

類似于在現(xiàn)代顯示技術(shù)中使用液晶，形狀記憶LCE也可以操縱光學(xué)雙折射進(jìn)行光機(jī)械轉(zhuǎn)換，例如溫控變形傳感器。研究人員通過(guò)將微型光電元件與彎曲致動(dòng)器耦合，將光學(xué)傳感嵌入到LCE矩陣中（如圖4）。DLP打印的LCE懸臂執(zhí)行器（尺寸，15 mm×5 mm×0.8 mm）可以經(jīng)歷兩種彎曲變形模式，即熱誘導(dǎo)（例如，90°C陣風(fēng)；模式1）或非熱誘導(dǎo)（例如切換導(dǎo)致彎曲；模式2）。在模式1中，最初不透明的多疇LCE在響應(yīng)熱刺激進(jìn)入各向同性狀態(tài)時(shí)變得對(duì)光透明。例如，這種光學(xué)清晰度允許耦合光束通過(guò)紅外發(fā)光二極管(LED)從一端傳播；一些輻射到環(huán)境中，其余的在另一端反射回來(lái)，隨后被放置在光源旁邊的光電探測(cè)器接收。通過(guò)這種方式可以測(cè)量有損LCE波導(dǎo)的光信號(hào)以指示其自身的彎曲變形。在模式2中，雖然彎曲的幅度相似，但LCE保持其多疇狀態(tài)完整，防止耦合光束傳播，因此，光電探測(cè)器將不會(huì)捕獲顯著的信號(hào)變化。該原型演示將軟熱機(jī)械驅(qū)動(dòng)與之前在其他類別的軟執(zhí)行器中使用的光電應(yīng)變傳感相結(jié)合，引入了用于電位反饋控制的自感應(yīng)LCE執(zhí)行器。相同的原理也可以擴(kuò)展到多疇-單疇相變，用于監(jiān)測(cè)同一材料系統(tǒng)中的伸長(zhǎng)率和隨之而來(lái)的硬化。
 

圖4

 

小結(jié)：作者介紹了一種基于數(shù)字光處理(DLP)的增材制造方法，該方法逐層自動(dòng)剪切對(duì)齊介晶低聚物，以在光交聯(lián)結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)高取向順序；這種排序產(chǎn)生高比功（63 J kg-1）和能量密度（0.18 MJ m-3)。展示了由DLP打印的LCE執(zhí)行器在軟機(jī)器人中的應(yīng)用，例如可逆抓取、無(wú)繩爬行和舉重。此外，作者還提出了一種LCE自感系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用熱致光學(xué)躍遷作為反饋控制的內(nèi)在選擇，使該領(lǐng)域更進(jìn)一步朝著LCE中的自然肌肉樣感覺(jué)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)邁進(jìn)。

 

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https://advances.sciencemag.org/content/7/30/eabg3677