登上Science头条！蔡盛强教授《Sci. Robot.》：液晶弹性体微纤驱动器，未来的人工肌肉！

原创高分子科学前沿高分子科学前沿

人工肌肉是一种模仿肌肉的驱动器，在受到外部刺激（温度，气压，电压，溶剂等）时能产生可回复的收缩，弯曲，旋转等变形模态，广泛的应用于机器人，医疗，救援等等各种领域。然而，缺乏一种简易便捷的制备方式能够大批量制备人工肌肉，并且现存的人工肌肉的性能与真实的人类肌肉的性能有较大的差距，如何解决这些难题成为了研究人员关注的课题。

登上Science滚动头条

近期，受到人类肌肉纤维束的启发，来自加州大学圣地亚哥分校（UCSD）的Shengqiang Cai教授领导的研究小组在Science Robotics期刊上发表了名为“Electrospun liquid crystal elastomer microfiber actuator”的研究文章。研究团队基于静电纺丝的技术，在较短时间内大批量的制备了基于液晶弹性体的微米纤维驱动器，这种基于液晶弹性体的微米纤维驱动器展示出了可回复的，较大的驱动应力应变，较快的响应速度以及较高的功率密度，此驱动器的驱动的性能与人类的肌肉相当。

静电纺丝制备液晶弹性体微米纤维驱动器

图a为静电纺丝制备微米纤维驱动器以及微米纤维的形貌

研究团队利用静电纺丝的技术来制备液晶弹性体。在静电纺丝的过程中，液晶弹性体的前驱体放置于针筒中，当外部施加高电压时，微米纤维能够被针管射出，收集在网状的金属网格上。这些纤维的直径在10微米到100微米之间（图a）。

液晶弹性体微米纤维驱动器的驱动性能

当驱动器受热时，液晶弹性体会发生相变，从液晶相变为各向同性从而沿长度方向收缩，从而拉起低端的重物（图b）。研究表明，液晶弹性体微米纤维的驱动应力，应变，响应速度，能量密度以及功率密度与人类肌肉相似。值得一提的是，由于微米纤维的缺陷较少，它更为持久耐用，驱动应变在历经100万加载-卸载循环之后没有明显的衰退。

图b为静电纺丝制备微米纤维驱动器的驱动原理

红外光驱动性能

为了对液晶弹性体微米纤维驱动器进行更好的控制，研究团队利用红外光对于微米纤维进行加热，其驱动频率可以在1赫兹到20赫兹的范围内进行调节。在1.3赫兹的驱动频率下，驱动应变达20%，在16.7赫兹的频率下，驱动器还能够产生10%的驱动应变（图c, 视频1）。对于微米纤维驱动器而言，由于其尺寸小，因此对外输出的驱动力较小。为了增大对外输出的驱动力，研究团队受到肌肉纤维束的启发，将多根微米纤维并联排列，增大驱动力的同时保持了较快的响应速度（图d, 视频2）。

图c为静电纺丝制备微米纤维驱动器在不同频率红外光下的响应

图d为多跟静电纺丝制备微米纤维驱动器并联以放大驱动力

视频1

视频2

液晶弹性体微米纤维驱动器的潜在应用

为了更好的展示液晶弹性体微米纤维驱动器的潜在应用，研究人员将驱动器安置于多种微型器件上如微型镊子，机器人以及流体泵上以实现不同的功能（图f，视频3-5）。良好的驱动性能，简易的驱动方式使得微米纤维驱动器适用于各种应用场景。

图f为静电纺丝制备微米纤维驱动器的潜在应用

视频3

视频4

视频5

该研究的意义在于，通过简易的方式，大批量制备性能良好的微型驱动器，驱动器能够被简易便捷的控制并适用于多种微型器件的应用场景。

参考文献：

He, Q., Wang, Z., Wang, Y., Wang, Z., Li, C., Annapooranan, R., Zeng, J., Chen, R., Cai, S. Electrospun Liquid Crystal Elastomer Microfiber Actuator. Science Robotics, 6: eabi9704, 2021.

来源：高分子科学前沿

声明：仅代表作者个人观点，作者水平有限，如有不科学之处，请在下方留言指正！

投稿模板：

单篇报道：上海交通大学周涵、范同祥《PNAS》：薄膜一贴，从此降温不用电！

系统报道：加拿大最年轻的两院院士陈忠伟团队能源领域成果集锦

历史进展：经典回顾| 聚集诱导发光的开山之作：一篇《CC》，开启中国人引领世界新领域！

继续滑动看下一个

​登上Science头条！​蔡盛强教授《Sci. Robot.》：液晶弹性体微纤驱动器，未来的人工肌肉！

登上Science头条！蔡盛强教授《Sci. Robot.》：液晶弹性体微纤驱动器，未来的人工肌肉！