近日，上海交通大學(xué)林秋寧研究員、劉湍副研究員課題組通過構(gòu)建密集纏結(jié)結(jié)構(gòu)，成功實(shí)現(xiàn)了LCE執(zhí)行器的超高功容量與良好加工性能的統(tǒng)一，為軟體執(zhí)行器在康復(fù)設(shè)備、可穿戴裝置等領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用提供了新路徑。相關(guān)論文以“Enabling Ultra-High Work Capacity and Scalable Processability of Liquid Crystal Actuators through Densely Entangled Structures”為題，發(fā)表在

Advanced Materials

該研究團(tuán)隊(duì)采用一步熔融聚合策略，合成出高分子量（>180 kDa）的線性液晶聚氨酯彈性體，通過引入適度甲基側(cè)基抑制結(jié)晶，形成穩(wěn)定的纏結(jié)結(jié)構(gòu)。所得材料在保持良好韌性的同時(shí)，機(jī)械強(qiáng)度顯著提升，實(shí)現(xiàn)了高達(dá)1427 kJ m?3的驅(qū)動(dòng)功容量。此外，材料可通過熔體剪切或溶劑處理實(shí)現(xiàn)類似熱塑性的再加工性，成功制備出重量不足10克、卻能輸出超過30 N收縮力的可穿戴裝置，能夠反復(fù)抬起成人手臂。

研究團(tuán)隊(duì)首先通過一步無溶劑無催化劑的熔融聚合反應(yīng)合成了線性LCE材料（圖1a）。通過調(diào)節(jié)兩種二異氰酸酯單體的比例（RHDI/MHDI），有效抑制了聚合物鏈的結(jié)晶，確保了材料的柔性（圖1b）。DSC和1H NMR結(jié)果表明，當(dāng)RHDI/MHDI為0.5/0.5時(shí)，結(jié)晶熔融峰消失，材料呈現(xiàn)非晶態(tài)（圖1c–d）。隨著聚合時(shí)間延長(zhǎng)，分子量顯著提高，8小時(shí)聚合得到的LLCE-0.5-1的Mw達(dá)到185 kDa（圖1e）。流變和DMA測(cè)試表明，高纏結(jié)度的LLCE-0.5-1在70–200°C范圍內(nèi)具有寬橡膠平臺(tái)，顯示出由纏結(jié)主導(dǎo)的穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)（圖1f–g）。

圖1. 材料設(shè)計(jì)與合成。 a) 通過一步熔融聚合策略合成具有密集纏結(jié)結(jié)構(gòu)的高分子量線性聚合物。引入甲基側(cè)基以抑制聚合物鏈結(jié)晶，確保材料柔性；氫鍵作為輔助手段穩(wěn)定纏結(jié)。 b) 通過熔體剪切或溶劑處理實(shí)現(xiàn)聚合物纏結(jié)與解纏結(jié)的可逆轉(zhuǎn)換。 c) 聚合物纏結(jié)顯著增強(qiáng)結(jié)構(gòu)完整性并保持柔性，從而實(shí)現(xiàn)熱驅(qū)動(dòng)下的超高功容量。 d) 材料可通過常見熱塑性加工技術(shù)（如焊接、熱壓、開煉混合和熔融紡絲）進(jìn)行加工。

力學(xué)性能測(cè)試表明，高纏結(jié)樣品LLCE-0.5-1的斷裂應(yīng)力達(dá)20.6 MPa，真實(shí)應(yīng)力高達(dá)219.6 MPa，遠(yuǎn)優(yōu)于低分子量樣品（圖2h）。缺口拉伸試驗(yàn)中，其斷裂能保持在48–49 MJ m?3，顯示出優(yōu)異的抗裂紋擴(kuò)展能力（圖2i–l）。循環(huán)拉伸和應(yīng)力松弛實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證實(shí)其在高負(fù)載和高溫下仍能保持結(jié)構(gòu)完整性和抗疲勞性能（圖2m–n）。

圖2. 合成與力學(xué)性能。 a) LLCE-0.5-1的聚合示意圖，該過程無需溶劑與催化劑。 b) 不同RHDI/MHDI比例的LCE的DSC第一次加熱掃描曲線。 c) 不同RHDI/MHDI比例LCE的1H NMR譜圖。 d) 溫度掃描DMA測(cè)試得到的儲(chǔ)能模量G′曲線。 e) 130°C下不同聚合時(shí)間所得LCE的數(shù)均分子量（Mn）、重均分子量（Mw）和峰值分子量（Mp）。 f) 不同溫度下的頻率掃描流變曲線。 g) 溫度掃描DMA測(cè)試得到的G′曲線。 h) 應(yīng)力-應(yīng)變曲線，插圖為不同拉伸比（0%和600%）下聚合物薄膜的廣角X射線散射（WAXS）圖。 i) 缺口與無缺口樣品的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。 j) 缺口與無缺口樣品的斷裂能。 k) 缺口樣品在4 mm min?1拉伸速率下的拉伸過程照片。 l) 聚合物鏈纏結(jié)抑制裂紋擴(kuò)展的示意圖。 m) 拉伸取向后的LLCE-0.5-1的循環(huán)拉伸曲線。 n) 不同溫度下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

在驅(qū)動(dòng)性能方面，拉伸取向后的LLCE-0.5-1薄膜在熱循環(huán)（25?120°C）中可逆抬升130g重物，超過其自身重量的6000倍（圖3a–b）。其功容量隨負(fù)載增加而上升，在3.6 MPa負(fù)載下達(dá)到1472 kJ m?3，遠(yuǎn)超人體骨骼?。▓D3c–e）。此外，通過調(diào)控溫度可實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)應(yīng)變的精確控制，歸因于氫鍵隨溫度動(dòng)態(tài)演變的機(jī)制（圖3d, g–h）。與已有可加工LCE相比，該材料在功容量和可控性方面均表現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)（圖3f）。

圖3. 可逆熱驅(qū)動(dòng)。 a) 通過DMA測(cè)得的阻塞應(yīng)力隨溫度變化曲線。 b) LLCE-0.5-1和LLCE-0.5-2在3.6 MPa和0.11 MPa負(fù)載下的可逆驅(qū)動(dòng)行為。 c) 不同負(fù)載下的功容量。 d) 隨溫度變化的FTIR光譜，顯示氫鍵隨溫度升高逐漸解離。 e) 本執(zhí)行器與人體骨骼肌的性能對(duì)比。 f) 本執(zhí)行器與已報(bào)道可加工LCE的功容量對(duì)比。 g) LLCE-0.5-1在不同溫度下的可控驅(qū)動(dòng)應(yīng)變。 h) 驅(qū)動(dòng)應(yīng)變隨溫度變化的關(guān)系曲線及擬合函數(shù)。

研究還展示了材料在無負(fù)載條件下的驅(qū)動(dòng)能力與形狀可編程性。預(yù)拉伸后的薄膜在熱循環(huán)中表現(xiàn)出可逆驅(qū)動(dòng)，應(yīng)變隨拉伸比增加而提高（圖4a）。高纏結(jié)與氫鍵協(xié)同作用維持了取向穩(wěn)定性（圖4b–d）。通過加熱或機(jī)械拉伸可實(shí)現(xiàn)各向異性（Aniso-shape）與各向同性（Iso-shape）狀態(tài)的可逆編程，并可構(gòu)造出具有不同驅(qū)動(dòng)模式的管狀執(zhí)行器（圖4e–g）。

圖4. 無負(fù)載驅(qū)動(dòng)。 a) 驅(qū)動(dòng)應(yīng)變隨拉伸比的變化。 b) 分子量對(duì)驅(qū)動(dòng)應(yīng)變的影響。 c) 不同RHDI/MHDI比例的分子動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)果。 d) RHDI/MHDI比例對(duì)驅(qū)動(dòng)應(yīng)變的影響。 e) 力學(xué)取向與異形重編程示意圖及薄膜在熱循環(huán)中的驅(qū)動(dòng)照片。 f) 異形重編程示意圖。 g) 兩種管狀執(zhí)行器（收縮/擴(kuò)張模式和收縮/伸長(zhǎng)模式）的可逆驅(qū)動(dòng)照片。

在加工性能方面，LLCE-0.5-1可通過溶劑溶解（如DCM）實(shí)現(xiàn)低溫焊接，搭接剪切強(qiáng)度達(dá)1.82 MPa（圖5a–b），并可組裝成多指軟體夾爪（圖5c）。熔體加工方面，材料在190°C、大振幅振蕩下出現(xiàn)剪切稀化，可順利通過擠出紡絲、開煉混煉和熱壓成型進(jìn)行加工，纖維和復(fù)合薄膜仍保持較高力學(xué)性能（圖5d–e）。

圖5. 類熱塑性加工性能。 a) 使用DCM溶劑進(jìn)行焊接的示意圖。 b) 焊接樣品的搭接剪切曲線，插圖為測(cè)試前后樣品照片。 c) 軟體夾爪的制備示意圖（左）及其可逆驅(qū)動(dòng)照片（右）。 d) LLCE-0.5-1的流變曲線，顯示在大振幅振蕩（20%）下的剪切稀化行為。 e) 通過擠出紡絲（左）、開煉混合（右）和熱壓（右）加工LLCE-0.5-1的示意圖，以及擠出纖維的SEM圖像。

最終，研究團(tuán)隊(duì)成功開發(fā)出一款總重僅8.7克的可穿戴驅(qū)動(dòng)裝置（圖6c）。該裝置由多條預(yù)拉伸的LLCE-0.5-1帶束組成，通過電阻絲加熱實(shí)現(xiàn)均勻溫控（圖6e），能夠可逆地抬起成人男性前臂，輸出力超過31 N，驅(qū)動(dòng)應(yīng)變達(dá)46.5%（圖6a–d, f）。該裝置輕量、靜音、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，優(yōu)于傳統(tǒng)氣動(dòng)執(zhí)行器。

圖6. 用于人體的軟驅(qū)動(dòng)裝置。 a) 抬起成人前臂所需最小力（31.3 N）示意圖。 b) 一束拉伸取向的LLCE-0.5-1帶束可逆抬升3 kg重物加0.15 kg夾子的照片。 c) 可穿戴驅(qū)動(dòng)裝置的制備流程示意圖。 d) 電熱驅(qū)動(dòng)下可逆抬起成人前臂的照片。 e) 電加熱時(shí)裝置的均勻熱分布紅外圖像。 f) 抬起前臂的力學(xué)分析示意圖及計(jì)算公式。

總之，該研究通過簡(jiǎn)單的一步法合成出具有密集纏結(jié)結(jié)構(gòu)的LCE材料，成功解決了高功容量與可加工性之間的固有矛盾，為軟體執(zhí)行器在實(shí)際應(yīng)用中提供了新的材料平臺(tái)。盡管目前仍存在熱響應(yīng)速度有限、運(yùn)動(dòng)范圍待優(yōu)化等問題，未來可通過添加導(dǎo)熱填料、結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方式進(jìn)一步改進(jìn)。該設(shè)計(jì)有望推動(dòng)LCE在康復(fù)設(shè)備、外骨骼和可穿戴機(jī)器人等領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用。

來源：高分子科學(xué)前沿

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