江苏大学徐琳教授、丁建宁教授课题组Soft Robotics：持续自主运动的电驱动液晶弹性体Feynman软体机器人

智能材料变形驱动是集材料、力学、生物学等多学科的交叉前沿研究热点。液晶弹性体(Liquid crystal elastomers，LCEs) 作为能够产生大的可逆驱动应变的智能柔性弹性体材料，通过设计含有各向异性刚性介晶单元的聚合物网络结构，在外界刺激下(光、热、电等) 使其达到相转变温度时，引发由液晶态（有序）向各向同性态（无序）转变的链段运动，进而表现为宏观结构程序化变形。液晶弹性体材料类似于自然界生物体在多种外界刺激下自我调节的特性，在开发智能仿生设备和构建软体机器人系统中拥有巨大的应用前景。

开发独立、受生物启发的软体机器人过程中，重要的一步是如何在没有动态变化外部能量输入的情况下实现自主运动？研究人员利用液晶弹性体从液晶态到各向同性态可逆相变过程中的驱动变形特性，通过将可拉伸电阻加热器集成到液晶弹性体中，制造出基于焦耳热效应的具有电热致动功能的软体机器人。然而，现阶段研究面临的一个问题是，电驱动液晶弹性体的可逆形变基于外部电源的周期性通断，导致软体机器人的运动仍然受到电能振荡输入模式的限制，无法独立实现持续的自主运动。

受费曼工作（The Feynman Lectures on Physics）启发，近日，江苏大学徐琳教授、丁建宁教授与美国科罗拉多大学博尔德分校Franck Vernerey教授合作报告了一种基于液晶弹性体辐条的非对称收缩来旋转运动的Feynman软体机器人，创新性地实现了无需控制电源周期性开关即可进行持续自主运动的电驱动液晶弹性体软体机器人。这一设计理念有望启发其他软体机器人智能材料与智能结构的多元集成，代表着自主运动的软体机器人设计向前迈进了可喜的一步。该研究以“Programming motion into materials using electricity-driven liquid crystal elastomer actuators”为题发表在国际著名期刊Soft Robotics上。江苏大学机械工程学院为该论文的第一单位，研究生朱陈和Samuel Lamont为共同一作。该工作得到了国家自然科学基金、江苏省自然科学基金和机械系统与振动全国重点实验室开放基金等项目的支持。

研究利用微纳米加工技术和印刷电子技术，将液晶弹性体与柔软、可拉伸的液态金属 (Liquid metal, LM)电热膜相结合，构建了具有可逆大驱动形变的液晶弹性体驱动器。如图1所示，将8组辐条状液晶弹性体驱动器呈45°夹角设置于聚对苯二甲酸乙二醇酯车轮内部，每组液晶弹性体驱动器对应的车轮框架外侧设置导电片。液晶弹性体驱动器由聚酰亚胺固定，并通过导线与相邻的外侧导电片电性连接。

图1. 液晶弹性体驱动机理与Feynman软体机器人结构

如图2所示，当电源打开时，平铺于Feynman软体机器人下方的导电平面和位于车轮正下方的导电片接触形成完整通路，对应右下方45°的驱动器液态金属层产生焦耳热，激活液晶弹性体产生收缩形变，带动Feynman软体机器人质心向右偏转产生旋转。由于软体机器人旋转，铺设于下方的导电平面与新的导电片接触，产生新的导电通路，后一个液晶弹性体驱动器被激活，前一个则因通路断开而冷却恢复原长。依此类推，Feynman软体机器人通过将圆形车轮结构设计与具有可逆形变的电驱动液晶弹性体致动器集成在一起，实现了无需外部电源的周期性通断，可直接从稳定的外部电源获取能量以维持自身的连续运动。

进一步，研究阐述了液晶弹性体辐条的材料参数(收缩应变和致动时间)和车轮的设计参数(惯性矩和初始辐条角度)对Feynman软体机器人运动效率和最大角速度的影响规律。当驱动辐条收缩产生应变时2ϵ时，Feynman软体机器人的角速度表达式 。未来的工作可以通过提高液晶弹性体恢复速度、调整驱动辐条的初始角度以及在设计中添加更多辐条来改善Feynman软体机器人的运动性能。

图2. Feynman车轮软体机器人持续运动机制

Feynman车轮软体机器人运动展示

研究还阐述了基于LCE-LM电驱动器的一些其他有趣的应用。如图3所示，研究人员构建了手掌可动（5 mm~ 55 mm）的双向驱控的柔性夹持器，在2 A至4 A的低电流刺激下，可以精确外夹或内撑抓取如文件夹、螺钉、烧杯和环形工件等异形物品，解决了传统外夹式单向驱动的液晶弹性体

柔性夹持器受其驱动结构的制约，难以精确抓取异形环形等工件，应用潜力受到限制的问题。值得注意的是，夹持器可保留97%水重量下夹持吸水海绵，在柔性异形敏感物品的抓取中展现出优势。

图3. 用于柔性异形操纵的双向驱控夹持器

柔性操纵的液晶弹性体夹持器

受控驱动的定向运动是开发能够自主运动的软体机器人的基础。受果蝇幼虫运动的启发，研究提出了可通过连续的通电和断电循环诱导其定向爬行的液晶弹性体软体机器人，软体机器人定向移动的原理基于足部不对称设计造成的各向异性摩擦，机器人柔性基底材料的表面粗糙度、硬度和几何形状对摩擦特性的影响机制团队在2022年发表的工作中已有阐述。

研究还发现，软体机器人的水平运动可以显示为与前足与后足之间的法向力差成正比，可以通过优先考虑该法向力的巨大不平衡以优化机器人的几何设计。在此基础上优化的软体机器人自重仅1.9 g，通过独立驱动左右“液晶弹性体肌肉”，转向机器人在低电流的驱动下可在平坦和倾斜的表面上实现转弯半径（70~150 mm）的精准控制（图4）。

图4. 仿生爬行软体机器人

文章链接：
https://doi.org/10.1089/soro.2023.0063

来源：高分子科学前沿

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