四川大学蒲伟、肖尧予/舍布鲁克大学赵越 Angew ：基于材料-结构协同作用的体温与自然阳光响应型动态液晶弹性体自持驱动器

2025-02-27 来源：高分子科技

基于液晶弹性体（LCE）的自持驱动器能够在恒定外界刺激下持续地自振荡或自主移动。目前，由于LCE的液晶-各向同性相变温度（T_ni）普遍较高，其自持运动通常依赖高功率、大面积、长时间运行的人工能源（如高温或强光），能量效率低，且易对环境造成热或光损伤，限制了LCE自持驱动器的实际应用。为了解决这些问题，亟需开发能够由可持续的自然/绿色低能量刺激源（如自然阳光或体温）驱动的LCE自持驱动器。然而，利用低能量刺激源实现稳定的自持运动（特别是自持滚动运动）需要LCE在狭窄低温区间实现高驱动应变速率，这是一个巨大的挑战。

近日，四川大学蒲伟教授、肖尧予研究员与舍布鲁克大学赵越教授合作，报道了一种T_ni低至~32°C的碳纳米管掺杂Diels-Alder动态交联LCE材料（DALCE，图1）。该材料具有优异的可重加工性、可重编程性及可重构性，可通过3D打印技术制备复杂结构（图2k）。基于此，团队构建了同手性加捻卷绕型（HOTC）自持驱动器。利用材料-结构协同作用，该驱动器在30°C下实现了480%/s的应变速率（图2m），并由此能够在体温和自然阳光驱动下实现自持滚动运动，也能够在22°C下实现自持解扭转-扭转运动。

该工作以“Dynamic Liquid Crystal Elastomers for Body Heat- and Sunlight Driven Self-Sustaining Motion via Material-Structure Synergy”为题发表在《Angewandte Chemie International Edition》（DOI: 10.1002/anie.202500527），第一作者为四川大学机械工程学院硕士研究生刘清。这项研究工作通过材料-结构协同设计，打破了传统LCE在日常随处可及的低能量刺激源下难以实现高应变速率和自主滚动/振荡的瓶颈，实现了体温、自然阳光以及常温下的多种自持驱动模式。

图1.（a）用于制备低T_ni DALCE的材料组分的化学结构。（b）掺杂CNT的DALCE致动器的重新编程过程示意图。DALCE致动器在（c）温暖皮肤或（d）自然阳光下自持续滚动的示意图。

研究表明，当C6BAPE占液晶单体总量的75wt%时，DALCE材料表现出最低的向列相-各向同性相转变温度（图2a），同时兼具优异的机械性能（图2c）。通过掺杂多壁碳纳米管（MWCNTs），DALCE不仅能在体温（~35°C）下快速响应，还可通过光热效应在自然光下实现驱动。得益于动态Diels-Alder交联网络，该材料具有高度可重编程性，单一样品能够被重构为多种驱动器，实现折叠、展开等可逆形变（图2k）。此外，DALCE经热致解交联后可作为4D打印油墨，用于精确挤出纤维，为复杂结构制造提供了新途径。

图2. DALCE的结构与性能表征；基于DALCE-C75-CNT的同手性加捻卷绕（HOTC）驱动器与单轴取向驱动器的对比。

与单轴取向纤维相比，HOTC结构驱动器在驱动应变（在0°C和特定驱动温度之间循环时测量）方面提高了约25倍，变形速率提高了约30.5倍，且驱动温度降低了约20°C（图2m和2n）。此外，研究还揭示了DALCE在多种应用场景中的潜力，例如在人类皮肤表面的自滚动运动以及在自然阳光下的自主运动。仅需微小温度梯度（如人体体表与环境温差约10°C）即可实现自持滚动运动——在手掌、手背及手臂表面分别以3.78 mm/s、3.84 mm/s和3.14 mm/s的平均速度自主移动（图3a）。更引人注目的是，该驱动器在22°C环境温度下无需外部能量输入，仅通过局部冷热耦合即可模拟呼吸以及实现周期性解扭转-扭转自振荡（图3f），展现了独特的物理智能特性。研究还验证了其在自然阳光下的多场景应用潜力：环形HOTC驱动器能够在垂直圆柱表面实现2.66 mm/s的向下自滚动运动（图3c，遮挡阳光可暂停该自滚动过程），并能自适应不同材质（玻璃、塑料等）与曲率（30-46 mm）的表面（图3e）；该结构还可快速自适应收缩以贴合手臂，并随后实现体温驱动的自滚动运动（图3b）。

图3. 基于DALCE的HOTC驱动器在（a,b）体温、（c）自然阳光、（d,e）模拟太阳光以及（f）常温下的多种自持驱动模式。

此项工作通过材料-结构协同设计，为低能量驱动与高应变速率难以兼得这一难题提供了新思路，并为热致自持驱动器的生物医疗应用及环境能源驱动的自主化软体机器人开辟了全新路径。

作者信息：

蒲伟，1989年9月出生，现任四川大学机械工程学院院长，教授，2024年入选国家高层次人才，2019年入选教育部人才计划青年学者，空间先进机构与智能飞行器教育部重点实验室常务副主任，美国麻省理工学院（MIT）博士后，温诗铸枫叶奖-优秀青年学者奖获得者。主要从事软体机器人、分子模拟与纳米材料、传动摩擦学等方面的教学与科研工作，主持国家自然科学基金、国家XX基础科研、国家重点研发计划课题等项目。

肖尧予，1992年9月出生，四川大学研究员、博导，入选国家高层次青年人才，四川省“天府峨眉计划”青年人才，高分子材料工程国家重点实验室（四川大学）优秀青年。主要从事新型智能变形高分子及其柔性智能器件的设计与开发工作。研究范围涵盖新型形状记忆高分子和液晶弹性体材料的研制，以及利用活性材料开发自驱式软体机器人、智能触敏驱动体系、智能织物与可穿戴设备等。迄今，以第一作者或共同第一作者在Nat. Commun., Adv. Mater., Angew.Chem., Prog. Polym. Sci, 等国际主流期刊发表多篇SCI论文。欢迎对科研充满热情的同学加入该团队！

论文信息：

Dynamic Liquid Crystal Elastomers for Body Heat- and Sunlight- Driven Self-Sustaining Motion via Material-Structure Synergy

Qing Liu,# Zhi-Chao Jiang,# Xue Jiang, Jing Zhao, Ying Zhang, Yue Liu, Jun-Bo Hou, Yao-Yu Xiao,* Wei Pu,* and Yue Zhao*

Angewandte Chemie International Edition

DOI:10.1002/anie.202500527

https://doi.org/10.1002/anie.202500527

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（责任编辑：xu）

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