清华大学危岩教授、吉岩副教授团队《Sci. Adv.》：具有可重编程伸缩衍生运动的磁响应液晶弹性体软体驱动器

2022-06-25 来源：高分子科技

磁响应软体驱动器具有可非接触调控、响应快速等优点，在生物医学设备、软体机器人和航空航天等领域展现出巨大的应用潜力。由于磁场穿透力极强，磁控驱动器能够在密闭或受限空间（例如，人体和密封装置）中应用，这也是磁响应驱动器与其他刺激响应系统（例如热刺激、光刺激等）相比最显著的优势之一。其中，具有可重编程功能的磁控软体驱动器，因其能够在不断变化的条件下进行工作或执行多重任务，而受到特别的关注。对于可重编程的磁控软体驱动器，目前有两个重要问题亟待解决：（1）形变（运动）模式局限（仅有可逆弯曲和扭转这一类基本运动模式），（2）难以实现局部和序列磁控。

图1. 设计制备具有可重编程伸缩运动且局部可控的多功能磁响应软体驱动器

针对以上挑战，清华大学化学系危岩教授、吉岩副教授团队报道了一系列具有可重编程伸缩衍生运动的磁响应液晶弹性体（liquid crystalline elastomers， LCEs）软体驱动器，并且实现了磁场对驱动器的局部和序列控制（图1）。驱动器的制备是通过在LCEs中充分挖掘磁热效应和共价可适性网络 (Covalent adaptable network, CAN)的优势来实现的。LCEs材料基体选用具有动态氨基甲酸酯键的聚氨酯基LCE，通过掺杂Fe₃O₄纳米粒子引入磁热响应性（Magnetic PULCE, M-PULCE）。利用CAN基LCE的取向特性，构建了各种过去难以实现的磁响应运动模式，包括大尺寸形变的可逆伸缩运动（~80%）、双轴伸缩、复合运动（螺旋同时伸长）、动态三维图案和凸起驱动等，且由于动态共价键的存在，这些运动模式可反复按需更改（图2和图3）。

图2 M-PULCE驱动器的设计与制备

图3 多种磁控运动模式

作者通过将具有不同磁响应“阈值”的材料进行组装的策略，高效实现了软体驱动器的局部和序列磁控。由于不同磁颗粒含量的M-PULCE对磁场强度显示出不同的响应性（磁性纳米粒子含量越高，响应磁场的强度越小），利用动态共价键将取向后的不同M-PULCE材料进行无缝焊接，可以通过简单地调控磁场的强度（类似于写入“逻辑开关”序列）来输出无穷无尽的局部/整体运动（图4）。

图4 组装后M-PULCE的局部和序列磁控运动

不仅如此，以上策略还赋予了该磁响应液晶弹性体软体驱动器多种卓越的特性，包括磁场辅助的异质多材料结构制备（图5）、逐步可控性、多重响应性（可通过磁、光和热实现编程和驱动）、自修复和可重塑性，充分满足了开发新一代软磁驱动执行器的要求。研究者可以利用这些优势属性，根据需求从这一全能“工具箱”中任意挑选合适的功能进行应用和进一步深入探索。

图5 磁场辅助“焊接”实现异质多材料三维动态结构制备

该文章以“Locally controllable magnetic soft actuators with reprogrammable contraction-derived motions”为题发表在Science Advances上。清华大学化学系博士生仵雅禾和张帅为论文的共同第一作者。通讯作者为清华大学化学系危岩教授和吉岩副教授。

原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abo6021

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（责任编辑：xu）

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