港科大学者研发液晶弹性体，可用于人造肌肉和仿生机器

这是一款登上Science的液晶弹性体，它能提起自重 450 倍的重物，从而用于人造肌肉和仿生机器；亦能通过模拟叶子做成气孔结构，从而实现对于温度的非单调响应，进而用于打造自适应型的温度湿度调控材料和衣物。

相关论文的第一作者是姚昱星，其本科和博士分别毕业于清华大学和美国哈佛大学。在于 2025 年初全职加入香港科技大学担任助理教授之前，他在美国哈佛大学担任博士研究员期间的这篇论文正式发表在Science。

研究中，姚昱星等人通过对于分子结构、相态以及取向上的调控，来实现对于分子层面上各项异性的调控，借此开发出一种新型液晶弹性体（LCEs，liquid crystal elastomers），展示了本征的非单调、多步双向可变形性。

这一体系基于液晶弹性体构筑，通过端基液晶弹性体（end-on LCEs）设计，通过以下三种设计实现了材料本征的对于环境的非单调响应：

第一种设计是，在聚合前对液晶单体进行单轴排列；第二种设计是，创建了旋转限制较小的侧链端基液晶-聚合物连接结构；第三种设计是，利用液晶聚合过程中产生的定向应力积累。

在这种设计的指导之下，姚昱星和合作者通过分子动力学模拟以及化学合成，得到一系列具有两种高阶近晶相（smectic phase）的液晶弹性体：人字形斜向近晶 C 相（cSmC）和近晶 A 相（SmA）。

这些液晶弹性体可以实现在温度、光照以及溶剂作用下，对于外界环境的非单调响应。比如在下图中，右上角的微结构会在加热的条件下，先向下弯折、再向上弯折。

同时，就像下图展示的一样，通过在聚合过程中对高分子取向的磁场调控，能够轻易实现单一材料内很多种不同的非单调行为。包括但不限于：连续收缩和膨胀、右手和左手扭转、向相反方向倾斜。

这种本征非单调的行为意味着本次材料可以在不同温度区间下实现不同的响应性，例如单调增、单调减以及非单调。

最后，这种化学本征的非单调形变可以很简单地将这种行为扩展到不同的尺度下，来实现各种不同的功能。例如，本次研究在宏观尺度下（厘米级别），实现了液晶弹性体的高斯曲率反转。与此同时，也展示了该材料在人造肌肉以及仿生机器中的各种可能应用。

目前，各种多材料的软体机器的制备流程非常复杂，而本次材料可以让其变成单一材料制备，从而能够简化制备过程。

因此，在应用上本次材料可以在微型医疗机器人、人造肌肉以及仿生机器上能展现出潜力。比如，可以通过模拟叶子气孔，制备能够实现自适应调控温度和湿度的材料或衣物。再比如，可以做成无创手术机器人，从而在人体内控制血液的不同运动模式。

日前，相关论文以《编程液晶弹性体以实现多步骤双向可变形性》（Programming liquid crystal elastomers for multistep ambidirectional deformability）为题发在Science[1]。

姚昱星和哈佛大学阿塔利亚·米兰·威尔本（Atalaya Milan Wilborn）博士是第一作者，哈佛大学乔安娜·艾森伯格（Joanna Aizenberg）教授、美国俄亥俄州立大学王晓光教授以及荷兰格罗宁根大学迈克尔·M·勒奇（Michael M. Lerch）教授担任共同通讯作者。

据姚昱星介绍，如今软体机器在人机界面等多个方面都展示出应用潜力。其中一个重要的元件就是利用软物质的可控形变做成的执行器（soft actuator）。

近年来，对于“智能”软物质执行器的开发多聚焦于实现自适应的复杂仿生结构变形。该类自适应行为常依赖于材料的非单调的环境响应，即随环境单调变化表现出相反的机械形变。

比如，在植物的叶孔结构中，叶孔的开合程度对于温度是一个非单调的函数关系：即在低温下叶孔处于微张开的程度来实现与环境中水汽的交换；如果环境温度有一定的上升，那么叶孔将会打开来给植物降温；如果该环境温度上升突破了一个阈值，那叶孔将会关闭来保证植物不会由于失水而死亡。

这样的自适应行为是生命体中基础且重要的智能基元，能够保证生命体在复杂环境中的生存。

相较于生命体系，人造的材料体系中很难实现这些较为复杂的逻辑行为。这种非单调的行为需要材料体系具有可控的多稳态性质。

可是由于目前大多数软材料仅能实现双稳态切换，因此实现这类行为需要在双稳态的材料上叠加复杂的几何设计，比如说将 A 和 B 两种不同的响应性材料贴合在一起。这样的多材料体系多具有界面粘合的问题，且当材料尺度小到微纳米尺度下，制备也会变得困难。因此，假如能够开发自身具有三稳态的材料，就能以更加简单的方式，在各个尺度上实现类似生命体的复杂逻辑行为。

正因此在本次研究之中，姚昱星等人致力于通过对于分子结构、相态以及取向上的调控，来实现对于分子层面上各项异性的调控，从而得到具有本征多步双向可变形的三稳态软材料。

另据悉，本次研究源于实验中的反常现象：姚昱星之前在液晶弹性体的开发和应用上已经取得了一些相关进展。在一次实验中，他希望研究不同的液晶结构会如何影响液晶弹性体在受热形变时候的大小。

后来，姚昱星和现任俄亥俄州立大学助理教授王晓光博士在 2017 年一次实验中偶然发现，一些液晶弹性体可以发生非单调的环境响应，即随环境单调变化表现出相反的机械形变。

由于姚昱星之前已经做过不少液晶弹性体的体系研究，所以他一开始觉得可能是做错了。后来重复多次之后，他发现这个体系确实可以实现复杂的机械形变。于是，他和合作者开启了系统性研究。

经过一些初步的材料表征之后，他们开始专注于理解该体系内的分子层面的机理：即研究是什么样的液晶分子结构或排列导致了这种反常的非单调行为？

他们最开始的猜测是：液晶弹性体可能形成了多筹相态。随后，他们联合美国布鲁克黑文国家实验室的合作者，通过同步辐射 X 射线散射来研究这种液晶弹性体里的分子排列。结果发现和姚昱星一开始的猜测并不一样：即本次液晶弹性体在常温有一种特殊的人字形斜向层状 C 相（chevron smectic C phase），在升温后会转变为层状 A 相（smectic A phase），在更高的温度下会变为各向同性（isotropic phase）。

为了研究分子结构对于这种特殊相态的影响，他们又联合目前任职于荷兰格罗宁根大学的迈克尔·M·勒奇教授团队合成了各种液晶的单体，并发现在一定的分子结构的范围内这种相态具有普适性。同时，姚昱星又通过组内合作，利用分子动力学模拟再次确认这些特殊相态的形成以及可能的分子机理。

接着，姚昱星和本次论文的共同一作在有限元模拟的指导下，设计了基于这种反常的非单调形变来实现的可能应用。他们先是展示了在大尺寸上同样的非单调、多步双向形变。通过对于大尺寸液晶弹性体的分子排列进行图案化，实现了单一材料的高斯曲率反转，借此验证了本次材料的应用价值。

目前，姚昱星已经在香港科技大学独立建组。未来，他会继续研究相态转变以及非单调的机械形变，以及探索能否在液晶弹性体或其他软材料中得到更复杂的相转变，从而针对材料性质实现更加复杂的控制。

与此同时，他还将研究如何将这些自适应的行为转化成软体机器，以便将其用于微型医疗器械之中。另外，姚昱星也将结合自己在细胞工程中以及合成生物学的积累，来探索液晶弹性体在交叉方向上的可能。

参考资料：

1.Yao, Y., Wilborn, A. M., Lemaire, B., Trigka, F., Stricker, F., Weible, A. H., ... & Aizenberg, J.（2024）. Programming liquid crystal elastomers for multistep ambidirectional deformability.Science, 386（6726）, 1161-1168.

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