华南理工大学AM：液晶弹性体光纤人工肌肉，实现多模式精确驱动

自然骨骼肌凭借其纤维束结构和多向运动能力，为人类日常活动提供核心动力。尽管人工肌肉在软体机器人和生物医学领域备受关注，现有光驱动技术仍面临重大挑战：依赖外部侧向光照导致密闭环境中驱动不均匀，实时校准需求影响稳定性，且难以实现长距离（＞1 cm）、多模式（如扭转/弯曲）的协同控制。传统波导驱动器受限于高光学损耗和非对称结构，制约了其在复杂场景的应用。

华南理工大学杨中民教授、甘久林教授团队受神经肌肉系统启发，开发出新型液晶弹性体光纤（LCEOF）人工肌肉。该器件通过两步法制备，兼具光学波导与驱动功能，传输损耗低至0.37 dB cm⁻¹，收缩应变超40%，负重达自重4000倍。通过端耦合激光输入，多根LCEOF可集成为机械臂，实现5 cm长程收缩、180°扭转及360°全向弯曲，并在密闭环境中完成物体抓取、激光书写等任务，为下一代软体机器人提供了突破性解决方案。 相关论文以“ Multimodal Actuation and Precise Control in Liquid Crystal Elastomer Optical Fiber Artificial Muscles ”为题，发表在Advanced Materials 上。

图1揭示了LCEOF的仿生设计机制：如同神经信号触发肌肉收缩，激光脉冲通过光纤引发液晶分子从向列相向各向同性相转变，驱动光纤收缩。制备过程分为两步——先通过拉伸取向形成单畴液晶核心（有序参数0.65），再旋涂低折射率PDMS包层，形成直径600/770 μm的核-鞘结构，界面剥离强度达19.71 N m⁻¹，确保驱动稳定性。

图1. 液晶弹性体光纤人工肌肉示意图 a) 自然骨骼肌（左）与仿生LCEOF人工肌肉（右）的驱动机制对比。 b) LCE前体组分：液晶基元RM257、交联剂PETMP、扩链剂EDDET、光热材料新癸酸铋。 c) 核-鞘结构LCEOF的两步制备流程。

图2展示LCEOF的光学特性：偏振显微镜图像显示分子沿轴向高度取向，X射线散射证实其有序性。光纤可打结弯曲（直径＜1 cm）且保持光传导能力，638 nm激光沿结状路径清晰透射。掺杂铋光热剂后损耗增至1.51 dB cm⁻¹，但仍优于多数柔性光纤。

图2. LCEOF人工肌肉表征与光学特性 a) LCE核（600 μm）与PDMS包层（770 μm）截面。 b) 交叉偏振镜下45°（亮）与90°（暗）的取向对比。 c) 打结光纤（直径＜1 cm）展示机械柔性。 d) 638 nm激光沿打结路径传导。 e) 掺杂/未掺杂铋的光纤衰减系数对比（1.51 vs 0.37 dB cm⁻¹）。

图3量化驱动性能：808 nm激光触发下，光纤15秒内收缩40%，表面温度超110°C。在500 mW功率下负重2 g仍保持32%应变，即使负重4000倍自重（约0.2 g）时应变仍达20%。驱动力与激光功率呈对数增长，最大输出0.577 MPa应力，模量（9.61 MPa）与真实肌肉相当。

图3. LCEOF驱动特性 a) 808 nm激光触发单根光纤收缩。 b) 红外图像显示驱动时温度超过向-列相变点（Tₙᵢ）。 c) 500 mW激光下应变-温度随时间变化。 d) 370 mW脉冲驱动的应变一致性。 e) 应变/温度与功率密度的关系。 f) 不同负重下的收缩应变（500 mW激光）。

图4验证多纤维协同：四根LCEOF集成的机械臂，驱动力随纤维数量线性增加。600 mW激光下10秒完成90%收缩，同步举起25 g重物且应变稳定，故障时未受损纤维可缓冲负载，显著提升系统容错性。

图4. LCEOF机械臂收缩性能 a) 多纤维集成提升驱动力（400 mW激光）。 b) 输入功率与收缩速度正相关。 c) 不同功率下机械臂举升高度变化。 d) 同功率（600 mW）下负重5–25 g的应变一致性。

图5实现仿生扭转：仿照肌肉纤维螺旋结构，五圈缠绕的LCEOF束在激光驱动下解旋，产生＞180°扭转（如拇指模型所示）。扭转角度与收缩应变强相关（R²＞0.99），180°扭转时轴向同步收缩11%，且可通过功率精确调控角度。

图5. 机械臂扭转性能 a) 0°–180°扭转过程俯视图（拇指模型指示方向）。 b) 不同功率下扭转角度随时间变化。 c) 扭转角度-功率拟合曲线。 d) 扭转伴随轴向收缩的侧视图。 e) 收缩应变与扭转角度强相关（R²＞0.99）。

图6突破全向弯曲：四根LCEOF环绕弹性支撑棒（Ecoflex）构成弯曲臂。通过独立调控每根光纤功率，实现45°–360°任意方向弯曲（如八分圆所示）。弯曲幅度与输入功率严格匹配（R²＞0.99），无需预设铰链即完成密闭空间远程操控。

图6. 机械臂弯曲性能 a) 45°–360°全向弯曲快照，（v）为初始状态（0°）。 b) 各LCEOF功率分布图（深红=高功率，白=无输入）。 c) 弯曲角度-功率拟合曲线。

图7展示应用潜力：人工手由五根LCEOF模拟指屈肌，配合被动弹性纤维实现抓取-释放。成功操控不同模量物体（0.38 g海绵至1.40 g纸卷）。集成内窥镜与激光头的操作系统，在密闭玻璃管内完成字母"SCUT"刻蚀；加装金属钩的导管系统，于Y型管道内精准转移物体，凸显其在微创手术等场景的价值。

图7. LCEOF应用演示 a) 人工手通过光纤连接激光器。 b) 抓取不同物体（气球1.02 g/海绵0.38 g/纸卷1.40 g）。 c) 抓取-持握-释放全过程时序图。 d) 激光刻蚀系统构成（LCEOF束+内窥镜+激光头）。 e) 密闭管内刻蚀字母"T"的过程及"SCUT"成品。 f) 导管操作系统（末端加装金属钩）。 g) Y型管道内物体转移时序图。

总结与展望

LCEOF人工肌肉通过波导式光驱动攻克了密闭环境多模式操控难题，其长程收缩、大角度扭转与全向弯曲能力远超现有技术。未来，该平台可与光学传感、成像模块深度集成，推动软体机器人、生物医学设备及深海探测领域的革新。这项技术为先进光驱动机器人开辟了全新道路。

来源：高分子科学前沿

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