清華大學楊忠強課題組：3D打印程序可控的液晶彈性體柔性氣動驅動器

柔性氣動驅動器（SPA）由于其良好的生物接觸安全性和便捷的驅動方式被廣泛應用于醫療輔助器、工業操控手和仿生機器人等領域。現有的SPA大多以各向同性的柔性高分子作為基材，需要額外引入高強度限制材料或構建異質結構形成結構上的力學各向異性，從而控制其形變模式。現有的構筑策略難以避免造成潛在的界面問題或者降低材料的利用效率。

為此，清華大學化學系楊忠強課題組通過改良的3D打印技術依靠具有本征各向異性的液晶彈性體（LCE）材料構建SPA。這種液晶彈性體柔性氣動驅動器（LCE-SPA）無需額外引入高強度限制材料或異質結構，通過對于打印路徑的編程設計就能控制LCE的取向，從而實現不同的氣動形變模式。

圖1 3D打印構建取向可控的LCE中空管

在此工作中，我們發展一種在旋轉基底上3D打印LCE的技術。相較于傳統使用平面基底進行LCE打印的工作，其能一步直接構建表面取向精確可控的LCE中空管。這種利用打印構建的LCE中空管在平行和垂直取向方向展現出明顯的力學各向異性。在同等應變情況下，沿平行取向方向的應力能達到垂直取向方向的40倍以上。

圖2 不同取向的LCE-SPAs氣動形變

通過對于打印路徑的設計，我們構建具有可控三維取向的LCE-SPAs。這些LCE-SPAs能依據取向產生的力學各向異性實現不同設定形變——長軸縮短、長軸伸長、彎曲和扭轉。

圖3 具有復雜取向的LCE-SPAs的氣動形變

在實際使用環境中，工作往往需要更為復雜的形變模式。這種復雜的形變可以由諸如縮短、伸長、彎曲、扭轉等基礎形變組合而成。在明確基礎形變和取向的關系后，我們將圖2中四種基礎形變對應的不同液晶取向相互組合，構建具有復雜形變能力的LCE-SPAs。

圖4 LCE-SPAs執行不同任務

其后我們也驗證LCE-SPAs的做功能力。比如，軸向取向的LCE-SPAs在80 kPa下能提起自身重量約350倍的重物，提升至原長的80%。環向取向所構建的LCE-SPAs能在120 kPa下伸長至原長的133%，在撤去氣壓后回復原長。由3個彎曲形變LCE-SPAs構成的三指柔性抓手在80kPa驅動下能提起裝有麥片的提籃。扭轉取向的LCE-SPAs則在其下端粘附紙張作為混合漿片后，能以0.5 Hz的頻率在30 s內混合均勻30 mL液體。

這種通過氣壓驅動的LCE驅動器相較于常見的熱驅動的LCE驅動器，其無需高溫具有更好的生物安全性，同時也無需持續熱量輸入即可維持形變具有更好的能量利用效率。總而言之，此工作不僅推動了基于氣動驅動的LCE柔性器件的發展，也為構建SPA提供一種新的方法和思路。

清華大學化學系廖威博士生為此工作的第一作者，楊忠強副教授為通訊作者。以上工作得到國家自然科學基金和清華大學自主科研計劃的資助。

論文信息：Wei Liao, Zhongqiang Yang*，3D Printing Programmable Liquid Crystal Elastomer Soft Pneumatic Actuators，Materials Horizons，

原文鏈接：https://doi.org/10.1039/D2MH01001A

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