开发兼具优异机械性能与快速响应能力的人工肌肉材料，是软体机器人和智能驱动领域长期追求的目标。液晶弹性体（LCEs）能够在热、光等外场刺激下发生可逆形变，直接将刺激能量转化为机械功，因而成为人工肌肉的理想候选材料。然而，如何在单一材料体系中同时实现高强度、大驱动应变和灵活的可编程性，一直是该领域亟待突破的核心难题。

图1 木质素基液晶弹性体的分子设计思路与双动态网络结构示意图

  近日，华南理工大学刘伟峰教授和广东工业大学邱学青教授团队独辟蹊径，将工业木质素这一可再生资源同时作为共价交联增强单元和本征光热功能单元引入液晶弹性体网络，通过构建由酚型氨酯键和二硫键组成的双动态交联网络，成功解决了高力学强度与大驱动应变难以兼得的经典矛盾。

  2026年3月20日，相关成果以“Photothermal-Responsive Lignin-Based Liquid Crystalline Elastomers: Constructing High-Performance Artificial Muscles via a Dual Dynamic Network”为题发表在 Advanced Functional Materials 上。论文第一作者为华南理工大学化学与化工学院2024级硕士生高义博，华南理工大学刘伟峰研究员和广东工业大学邱学青教授为论文共同通讯作者。

图2 木质素基液晶弹性体力学性能

  木质素作为自然界储量最丰富的芳香族生物质资源，其分子结构富含苯环和酚羟基，展现出优异的π-π共轭结构和丰富的反应活性。研究团队巧妙利用这一特性：一方面，木质素的多酚结构可与异氰酸酯形成动态酚型氨酯键，作为共价交联点增强网络；另一方面，木质素的芳香共轭结构可作为本征光热转化单元，实现无接触的近红外光驱动，摆脱了传统光热驱动依赖外源填料（如碳纳米管、金纳米棒）带来的界面相容性和长期稳定性问题。

  在此基础上，团队进一步引入动态二硫键，构建了酚型氨酯键-二硫键双动态网络。通过系统的配方优化和结构调控，所制备的木质素基液晶弹性体（DLCE-PUs）展现出卓越的综合性能。其拉伸强度达21.5 MPa，断裂伸长率超过750%，显著优于传统单网络液晶弹性体（通常<5 MPa），亦高于大多数已报道的同类体系。在驱动性能方面，该材料在无外力条件下可实现33.3%的可逆驱动应变；在0.3 MPa恒定应力下，驱动应变可提升至40.0%，驱动应力达0.35 MPa，能量密度达30.0 kJ/m3，已超过哺乳动物骨骼肌的典型水平。此外，100次连续热驱动循环测试表明，驱动应变在前20次循环中从33.3%平稳过渡至28.0%，后续80次循环保持稳定，展现出优异的抗疲劳性能。

图3 木质素基液晶弹性体的驱动性能

  机理研究揭示了双动态网络协同作用的微观机制：在160 ^oC的编程温度下，酚型氨酯键发生可逆断裂，为液晶链段的重新取向释放网络约束，同时二硫键的交换则辅助取向；在75 ^oC的退火过程中，酚型氨酯键与二硫键同步重组，共同锁定链段取向结构；在25-90 ^oC的驱动温度下，两种动态键均保持稳定，确保网络骨架完整，仅液晶基元发生可逆相变。酚型氨酯键的动态性是实现高驱动应变的关键——它不仅提供力学增强，更通过编程温度下的可逆断裂为液晶链段取向提供了必要的自由度，赋予了灵活的可编程能力。

图4 木质素基液晶弹性体的驱动机理

  在应用演示中，材料成功实现了可逆弯曲、负载举升（可举升100倍自身重量）以及模拟人体骨骼肌的抬臂运动，充分展示了其在人工肌肉领域的应用潜力。本研究首次将工业木质素同时作为增强组分与本征光热功能单元引入液晶弹性体网络，通过酚型氨酯键与二硫键的分阶段协同，成功突破了力学性能、驱动功能与编程手段三者之间的矛盾。这一策略不仅实现了生物质资源的高值化利用，也为开发下一代高性能、可持续的软体机器人和人工肌肉材料开辟了新路径。

  该工作得到国家自然科学基金（22478133、U23A6005、22222805、22038004）等项目的资助。

  原文链接： https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.75049

  近年来，刘伟峰-邱学青团队专注于木质素在高分子材料中的高值利用研究，不追热点，坚持把冷板凳坐穿，在木质素改性橡胶、塑料、聚氨酯、胶黏剂、弹性体等体系，利用木质素本身的天然结构和功能优势，实现了对不同高分子体系的增强增韧高性能化及功能化，为木质素这一大宗工业生物质资源在高分子材料领域的高值利用探索新理论和新方法。欢迎交流合作，推动应用转化。