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  近年來，柔性機器人在生物醫(yī)學和航空航天等各領(lǐng)域顯示出巨大的應用潛力。其中，全柔性機器人，因其更加安全的人機互動、更好的驅(qū)動性能以及能夠避免由軟硬材料結(jié)合界面引起的反復故障等優(yōu)點而備受關(guān)注。液晶彈性體（Liquid-Crystalline Elastomers, LCEs），因其具有優(yōu)異的雙向形狀記憶性能及多種刺激響應性能，在全柔性機器人的制備中具有十分明顯的優(yōu)勢。為了使液晶彈性體全柔性機器人展示出更高的靈活性和實現(xiàn)更加復雜的功能，通常需要將不同網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)和化學組成的液晶彈性體材料結(jié)合，從而使其不同的部位根據(jù)不同的需求展現(xiàn)出不同的功能。然而，目前的液晶彈性體全柔性機器人大多基于同種材料，缺乏能夠制作由多種材料構(gòu)成的液晶彈性體全柔性機器人的方法。

  近日，清華大學化學系危巖教授和吉巖副教授課題組提出了一種能夠?qū)⒉煌N類的液晶彈性體材料在取向的同時進行焊接的方法，用于制作多材料液晶彈性體全柔性機器人。該方法利用巰基和碳碳丙烯酸雙鍵的“點擊反應”在室溫構(gòu)建多疇液晶彈性體體系，并使體系中“存有”過量的雙鍵。這些過量的雙鍵高溫時在預先“嵌入”體系的熱引發(fā)劑AIBN的引發(fā)下進行熱聚合反應，進而能夠同時實現(xiàn)液晶彈性體的取向及焊接（圖1）。

圖1、LCEs的取向及焊接演示圖。（A）基于過量丙烯酸雙鍵的焊接原理演示。（B）基于過量丙烯酸雙鍵的取向原理演示。（C）基于AIBN熱引發(fā)的丙烯酸雙鍵聚合機理。（D）通過同時“取向”與“焊接”實現(xiàn)單疇LCEs的焊接效果。標尺：5 mm。

  使用這種基于“碳碳丙烯酸雙鍵過量”的方法，不僅能夠得到熱驅(qū)動穩(wěn)定性能十分優(yōu)異的多種雙向形狀記憶模式（例如，絲帶狀螺旋-解螺旋、彈簧狀螺旋-解螺旋、卷曲-伸直、彎曲-伸直以及凸起-平整）（圖2），同時，還能夠?qū)崿F(xiàn)液晶彈性體片狀樣品之間的無縫焊接，當使用“同時取向和焊接”這種方法時，則能夠得到結(jié)構(gòu)靈活復雜且熱驅(qū)動性能穩(wěn)定的多種三維柔性驅(qū)動器（圖3）。

圖2、LCEs的驅(qū)動性能。（A）LCE-1的化學組成。（B）LCEs的雙向螺旋-解螺旋熱驅(qū)動模式。（C）LCEs的雙向卷曲-伸直（左）、彎曲-伸直（中）以及凸起-平整（右）熱驅(qū)動模式。（D）1000圈熱驅(qū)動前后LCEs的驅(qū)動穩(wěn)定性。標尺：5 mm。

圖3、焊接成功的證據(jù)及形成的三維柔性驅(qū)動器。（A）焊接前后的SEM。（B）不同雙向熱驅(qū)動模式的結(jié)合。（C）“風車”柔性驅(qū)動器。（D）“電風扇”柔性驅(qū)動器進行旋轉(zhuǎn)運動的連續(xù)過程。（E）“章魚”柔性驅(qū)動器。標尺：5 mm。

  除了同種LCEs材料的不同驅(qū)動模式的結(jié)合，該方法還能夠?qū)崿F(xiàn)不同種類LCEs材料的焊接，以實現(xiàn)整體材料的多功能性（例如，能夠得到可以用程序升溫控制的三段式甚至多段式逐步雙向柔性驅(qū)動器，以及可以對光和熱進行雙重響應且在光和熱的刺激下驅(qū)動模式不同的復合柔性驅(qū)動器）（圖4）。此外，該方法還可用于無縫焊接由完全不同的化學成分組成的完全不同體系的LCEs，以實現(xiàn)將所得到的柔性機器人的性質(zhì)和功能復雜化，擴展其應用（圖5）。

圖4、焊接異種LCEs實現(xiàn)多功能復合柔性驅(qū)動器。（A）可用程序升溫控制的三段式逐步雙向柔性驅(qū)動器。（B）不同種刺激源下驅(qū)動模式不同的復合光、熱雙重響應柔性驅(qū)動器。標尺：5 mm。

圖5、完全不同體系及化學組成LCEs的焊接。（A）以PMMS為主鏈的完全不同體系及化學組成的側(cè)鏈型液晶彈性體LCE-5的化學組成和網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)演示。（B）完全不同體系及化學組成的主鏈型LCE-1和側(cè)鏈型LCE-5的焊接及演示。標尺：5 mm。

  這種同時作用在LCEs上的“取向”和“焊接”方法在制備三維柔性驅(qū)動器方面具有以下四個優(yōu)勢：1）形成的三維柔性驅(qū)動器熱穩(wěn)定性十分優(yōu)異；2）能夠形成多種熱驅(qū)動以及紅外光驅(qū)動雙向形狀記憶模式，擴展了柔性機器人的運動模式；3）焊接方法所具有的“任意性”使得該方法可以根據(jù)需求形成任意形狀的三維柔性驅(qū)動器，大大拓展了其種類；4）通過雙鍵熱聚合反應的“通用性”，使得不同體系、不同化學組成的液晶彈性體能夠被無縫焊接在一起，形成多功能多材料的液晶彈性體全柔性機器人，使其具有廣闊的應用前景。該方法普遍適用于體系內(nèi)含有過量丙烯酸碳碳雙鍵的液晶彈性體，能夠?qū)⒏嘤山Y(jié)構(gòu)及化學組成不同帶來的優(yōu)異性能引入液晶彈性體柔性機器人的制作中，從而實現(xiàn)更加復雜的功能，極大擴展了液晶彈性體柔性機器人的應用。

  相關(guān)結(jié)果發(fā)表在Science Advances, DOI: 10.1126/sciadv.aay8606。文章的共同第一作者為清華大學化學系張宇白博士生和王振華博士，通訊作者為清華大學的危巖教授和吉巖副教授。清華大學化學系楊洋博士、陳巧梅博士、錢曉杰博士、梁歡博士生、仵雅禾博士生和徐艷雙博士參與了該研究。

  論文鏈接：

  Seamless multimaterial 3D liquid-crystalline elastomer actuators for next-generation entirely soft robots, 

  https://advances.sciencemag.org/content/6/9/eaay8606