浙江
液晶弹性体（LCE）凭借其与人体骨骼肌相近的密度、优异的柔韧性以及可逆形变特性，在外骨骼、软体机器人和医疗设备等领域具有巨大的应用潜力。然而，目前LCE的变形通常局限于简单且不连续的驱动模式，这与生物系统中复杂而连续的运动行为存在显著差异。为了模拟生物体的运动特性，理想的LCE应具备以下能力：一方面，能够通过简便的方式编辑所需的驱动模式；另一方面，能够像生物体一样自主控制驱动幅度，即实现“如何动”与“动多少”的双重自主调控。然而，如何同时实现LCE驱动模式和驱动幅度的精确控制，成为当前研究领域亟待解决的关键挑战。
图1.本工作的设计及驱动原理
为此，上海交通大学刘湍和林秋宁研究团队创新性地在LCE中引入了光响应的邻硝基苄基（ONB）结构单元与温度响应的氢键。通过紫外光触发"光解和交换"反应，实现了网络结构的动态重排，从而精确固定液晶分子的取向，赋予LCE可逆驱动特性。特别值得一提的是，通过调控紫外光的强度、时间和空间位置，能够精确控制材料中液晶分子的取向，进而实现对LCE驱动模式的灵活调控。同时，研究团队将氢键作为"温控器"，通过温度调节分子链的运动能力，从而实现对LCE驱动幅度的精确控制。基于这一创新设计，研究团队成功构建了一系列具有多样化驱动模式的LCE材料体系。这些材料不仅能够在热刺激下表现出可逆、稳定且复杂的驱动行为，还可以通过温度调节实现驱动幅度的精确控制。
图2.光激活不可逆交换反应的原理和的驱动效果，氢键调控LCE驱动幅度
在形状编程方面，主链结构中的邻硝基苄基（ONB）单元在紫外光照射下发生裂解，释放出具有反应活性的氨基基团。这些氨基基团能够与主链液晶分子上的酯键自发发生不可逆的交换反应，从而重构网络结构并固定液晶分子的取向。研究团队成功构建了一系列具有多样化驱动模式的软体驱动器，如图2所示。在驱动幅度方面，交联网络中引入的大量氢键有效地限制了分子链的运动能力。得益于氢键的温度响应特性，随着环境温度的升高，氢键强度逐渐减弱，分子链的运动能力相应增强，从而实现了LCE驱动幅度的可控调节。如图2所示，通过调节热刺激温度（室温至100°C），能够在0%至103%的范围内精确调控驱动幅度。
图3.人工手指和微流控芯片的驱动效果展示
研究团队将材料在驱动模式和驱动幅度控制方面的独特性能应用于仿生软体驱动器的开发，成功模拟了人体手指的弯曲运动。如图3所示，所构建的仿生软体驱动器在温度调控下，能够精确复现人体手指的弯曲和舒张动作，展现出优异的运动可控性和生物相似性。此外，基于这一创新设计，研究团队还开发了一种新型微流控芯片模型，通过温度调控即可精确控制流体中颗粒的流动方向，为微流体操控提供了新的解决方案。
相关成果以“Controlled Deformation Mode and Amplitude of Liquid Crystal Actuators through Orthogonal Light and Heat-Induced Exchanges”为题发表在Angewandte Chemie International Edition期刊上。上海交通大学博士研究生丁健是该论文的第一作者，刘湍副研究员和林秋宁研究员为通讯作者，团队的朱麟勇教授提供了大力支持和悉心指导，本工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、交大2030计划项目的资助。
注：欢迎开展合作研究，有意者请来信邮箱（tuan-liu@sjtu.edu.cn）。
来源：高分子科学前沿
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