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  驅(qū)動(dòng)器（actuator）通常需要不斷地調(diào)控外界刺激進(jìn)行交替開/關(guān)來實(shí)現(xiàn)連續(xù)的移動(dòng)。近年來，更加智能的自移動(dòng)型聚合物驅(qū)動(dòng)器被開發(fā)出來；這類驅(qū)動(dòng)器能在恒量的、持續(xù)的外界刺激條件下，進(jìn)行連續(xù)的空間移動(dòng)。比如，在具有恒定的溫度的熱臺(tái)上，或者在恒定光照下，聚合物材料能自動(dòng)并連續(xù)地行走或滾動(dòng)。這類運(yùn)動(dòng)體現(xiàn)了兩大特征，即自動(dòng)性和連續(xù)性；兩者皆為自然生物體系運(yùn)動(dòng)的基本特征，也是新一代人造聚合物驅(qū)動(dòng)器所追求的性能。

  近日, 加拿大舍布魯克大學(xué)趙越教授團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種具有極快運(yùn)動(dòng)速度和環(huán)境適應(yīng)的光控液晶驅(qū)動(dòng)器�；趽诫s了碳納米管的Diels-Alder動(dòng)態(tài)液晶網(wǎng)絡(luò)（CNT-LCDAN），該團(tuán)隊(duì)制備了具有多級(jí)扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的纖維及彈簧驅(qū)動(dòng)器。多級(jí)扭轉(zhuǎn)的彈簧結(jié)構(gòu)被證明能通過纖維的解捻來增強(qiáng)其的表觀驅(qū)動(dòng)應(yīng)變和承載能力，并已應(yīng)用于制備強(qiáng)大的人造肌肉。利用CNT-LCDAN的材料特性以及這種結(jié)構(gòu)效應(yīng)，本工作實(shí)現(xiàn)了低光強(qiáng)下的快速自滾動(dòng)，多地形運(yùn)動(dòng)，甚至可直接在在自然陽(yáng)光下連續(xù)滾動(dòng)，以及能在自移動(dòng)的同時(shí)通過快速的彈簧伸縮調(diào)節(jié)自身尺寸而順利穿過途中的狹縫。

  該工作中采用的LCDAN以動(dòng)態(tài)的、熱可逆的DA鍵作為交聯(lián)點(diǎn)，允許材料在DA鍵解開后在室溫下靈活地加工成復(fù)雜的，具有多級(jí)結(jié)構(gòu)的幾何形狀；并通過DA鍵的重新形成將形變誘導(dǎo)的液晶排列自動(dòng)鎖住，實(shí)現(xiàn)多級(jí)結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)器的制備。為實(shí)現(xiàn)自滾動(dòng)，作者通過扭轉(zhuǎn)拉伸至600%的纖維至飽和扭轉(zhuǎn)密度，然后再以相同或相反的扭轉(zhuǎn)方向?qū)⑵淅p繞成彈簧的形狀來分別制備同手性和異手性彈簧致動(dòng)器。扭轉(zhuǎn)的CNT-LCDAN纖維驅(qū)動(dòng)器能在不同光強(qiáng)下實(shí)現(xiàn)多階段運(yùn)動(dòng)特征，并實(shí)現(xiàn)沙、水表面以及斜坡上的自滾動(dòng)。而多級(jí)扭轉(zhuǎn)的CNT-LCDAN彈簧驅(qū)動(dòng)器能實(shí)現(xiàn)更高性能、低光強(qiáng)、以及環(huán)境適應(yīng)性自滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)。CNT-LCDAN彈簧驅(qū)動(dòng)器具有多尺度的分級(jí)結(jié)構(gòu)，包括彈簧結(jié)構(gòu)、纖維扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)和介晶的定向排列結(jié)構(gòu)。同手性彈簧致動(dòng)器可以在加熱時(shí)可逆地收縮并在冷卻時(shí)伸展，而異手性彈簧形變趨勢(shì)正好相反。彈簧執(zhí)行器的伸縮迅速、幅度大，如同手性彈簧在54°C時(shí)具有900%的驅(qū)動(dòng)應(yīng)變。這是由于，一方面，液晶材料能提供更大的基于液晶排列有序度的本征可逆驅(qū)動(dòng)應(yīng)變，另一方面，多級(jí)扭轉(zhuǎn)的彈簧結(jié)構(gòu)通過纖維的可逆解捻可進(jìn)一步放大驅(qū)動(dòng)器表觀的可逆驅(qū)動(dòng)應(yīng)變。持續(xù)暴露在321 mW cm^-2的近紅外光下，同手性彈簧能以22 mm s^–1快速自滾動(dòng)。更有趣的是只需簡(jiǎn)單地打開一個(gè)具有一定光強(qiáng)的可見光燈，同手性彈簧驅(qū)動(dòng)器就能自發(fā)連續(xù)地滾動(dòng) （圖1a）。此外，該運(yùn)動(dòng)很穩(wěn)定，能在不同材質(zhì)及表面上實(shí)現(xiàn)，包括沙子、水和人的手掌（圖1b）。運(yùn)動(dòng)所需的光源及光強(qiáng)均能控制在對(duì)人類安全的范圍之內(nèi)，甚至可以直接由自然太陽(yáng)光驅(qū)動(dòng)在深色紙面上自移動(dòng)（圖1c）。

圖1. (a) 彈簧液晶驅(qū)動(dòng)器在普通可見光燈下自滾動(dòng)。（b）通過可見光的驅(qū)動(dòng)彈簧液晶驅(qū)動(dòng)器在手掌上滾動(dòng)。（c）液晶彈簧驅(qū)動(dòng)器在深色的紙面上直接通過太陽(yáng)光驅(qū)動(dòng)。

  更有趣的是，彈簧驅(qū)動(dòng)器能在光控制下快速并可逆地收縮，因此，能允許在自滾動(dòng)過程中對(duì)其尺寸進(jìn)行動(dòng)態(tài)光調(diào)控，并順利穿越障礙物（圖2）。

圖2. 彈簧液晶驅(qū)動(dòng)器通過大幅收縮長(zhǎng)度來穿越狹窄的狹縫。

  以上成果以Dynamic Liquid Crystalline Networks for Twisted Fiber and Spring Actuators Capable of Fast Light-Driven Movement with Enhanced Environment Adaptability為題發(fā)表在美國(guó)化學(xué)會(huì)旗下期刊Chemistry of Materials上。該論文的通訊作者是加拿大舍布魯克大學(xué)趙越教授。第一作者是博士生江智超。該工作獲得了加拿大自然科學(xué)與工程研究委員會(huì)（NSERC）, 魁北克自然科學(xué)與技術(shù)研究基金（FRQNT）以及中國(guó)留學(xué)基金委（CSC）的項(xiàng)目支持。

  原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.chemmater.1c02073