卧龙岗大学蒋臻博士/ Geoffrey Spinks教授 AM：兼具抗撕裂能力、类似皮肤低模量、低温驱动的高性能柔性执行器

2024-05-02 来源：高分子科技

近年来，受软体动物的启发，新型柔性执行器的研究引起了人们的广泛关注。该材料可以在外部刺激下改变形状，这使得它们在软体机器人以及其他智能器件中有着广泛的应用。为了实现软体机器人中安全可靠的人机交互界面，该材料性能需要满足一系列的要求：(1) 温和的，对人体安全的形变刺激源，比如可在接近于人体温度37°C激发；(2) 柔性执行器在温和的刺激源下可产生优异的形变性能；(3) 柔性执行器需要有类似于人体皮肤组织的低杨氏模量；(4) 并且希望柔性执行器拥有卓越的抗撕裂性能，即使受到损伤，裂纹也不会扩展。

Figure 1. 柔性执行器的设计和制备 (a, b), 抗撕裂性能展示(c) 以及在低温(d)下产生大功率密度。

针对以上需求和挑战，研究者们巧妙的设计了柔性执行器的分子结构 (Figure 1a,b)。首先，为了实现卓越的抗撕裂性能，作者在液晶交联网络中引入了结晶链段，并且通过调控麦克加成反应的选择性实现了低共价网络交联度; 其次，为了实现低温响应，作者使用了基于乙二醇的柔性扩链剂；同时值得注意的是，柔性扩链剂和低共价网络交联度共同作用可以使得材料拥有类似于皮肤的低模量；然后为了实现在低温刺激下的优异形变性能，作者将低交联密度的网络进行了大幅度拉伸(1200%)，从而产生高度取向液晶结构以及大的应变能。

Figure 2. (a,b) 柔性执行器网络的结晶度以及共价交联度随着90°C下预加热时间长短的变化。LCC-10-30, LCC-10-40, LCC-10-50, LCC-10-60分别代表的是在90°C 预加热下30 min, 40 min, 50 min 以及60 min。(c,d) 有无结晶链段的柔性执行器的驱动性能比较。

为了实现优异的抗撕裂性能，作者认为其关键点在于精确的控制液晶网络的结晶以及交联结构。作者首先将含有可反应性液晶基元，2,2''-(乙烯二氧)双(乙胺)以及1,3-二氨基-2-丙醇（提供可结晶链段）的DMF混合溶液在90°C高温下加热一定的时间，产生轻度共价交联网络。然后放在室温下放置两天。在这个过程中，由于仲氨和丙烯酸酯双键的反应速率大大降低，形成的高分子网络拥有较低的共价交联度。同时，高分子链段可以很好得形成结晶区。研究结果表明，随着预加热时间的增加，材料的结晶度大幅度降低以及共价交联度大大提高 (Figure 2a,b)，这将不利于实现优异的抗撕裂性能。
通过精确的控制材料结构，他们成功制备了拥有高撕裂能(33720 J m^-2)，高疲劳阈值(2250 J m^-2)，以及类似于皮肤模量 (0.7 MPa)的柔性执行器。作者还进一步设计实验证明了结晶链段在增强驱动性能方面的重要作用。从Figure 2c,d中我们可以看出，对于不含有结晶链段的柔性执行器，当温度升高到40°C时候，材料将无法承受重物而断裂。然而，拥有结晶链段的柔性执行器却可以在温度刺激下举起自身3000倍重量的物体。并且，柔性执行器可在40°C驱动下产生大功率(450 W kg^-1)，这一点对于实现柔性执行器在生物医药器件领域的应用至关重要。该论文近期发表在先进材料上。

原文链接: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202402278

作者简介：

蒋臻博士，本文第一作者和通讯作者。现为卧龙岗大学澳大利亚优秀青年基金获得者(ARC DECRA Fellow)。曾师从复旦大学俞燕蕾教授，2019年博士毕业于澳大利亚昆士兰大学。主要研究方向是智能形变高分子材料的设计，合成以及应用。迄今为止，发表17篇第一作者论文，比如Science, Adv. Mater., Angew. Chem., J. Am. Chem. Soc., Adv. Funct. Mater., Adv. Sci., Chem. Mater. 等。

Prof. Geoff Spinks received his PhD from the University of Melbourne in 1990 for his work on the mechanical behaviour of polymers and he has maintained a research interest in this area specialising in mechanical actuator materials (artificial muscles). Geoff is currently Senior Professor and Head of School in the School of Mechanical, Materials, Mechatronic and Biomedical Engineering at the University of Wollongong, Australia. Geoff has published over 250 journal articles detailing the development and properties of a range of materials including conducting polymers, carbon nanotubes, hydrogels, liquid crystal elastomers and twisted and coiled polymer fibers. His current interests include new product development and new manufacturing methods (such as 3D printing) that utilise his artificial muscle materials.

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（责任编辑：xu）

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