近年來，受軟體動物的啟發，新型柔性執行器的研究引起了人們的廣泛關注。該材料可以在外部刺激下改變形狀，這使得它們在軟體機器人以及其他智能器件中有著廣泛的應用。為了實現軟體機器人中安全可靠的人機交互界面，該材料性能需要滿足一系列的要求：(1) 溫和的，對人體安全的形變刺激源，比如可在接近于人體溫度37°C激發；(2) 柔性執行器在溫和的刺激源下可產生優異的形變性能；(3) 柔性執行器需要有類似于人體皮膚組織的低楊氏模量；(4) 并且希望柔性執行器擁有卓越的抗撕裂性能，即使受到損傷，裂紋也不會擴展。
Figure 1. 柔性執行器的設計和制備 (a, b), 抗撕裂性能展示(c) 以及在低溫(d)下產生大功率密度。
為了實現優異的抗撕裂性能，作者認為其關鍵點在于精確的控制液晶網絡的結晶以及交聯結構。作者首先將含有可反應性液晶基元，2,2''-(乙烯二氧)雙(乙胺)以及1,3-二氨基-2-丙醇（提供可結晶鏈段）的DMF混合溶液在90°C高溫下加熱一定的時間，產生輕度共價交聯網絡。然后放在室溫下放置兩天。在這個過程中，由于仲氨和丙烯酸酯雙鍵的反應速率大大降低，形成的高分子網絡擁有較低的共價交聯度。同時，高分子鏈段可以很好得形成結晶區。研究結果表明，隨著預加熱時間的增加，材料的結晶度大幅度降低以及共價交聯度大大提高 (Figure 2a,b)，這將不利于實現優異的抗撕裂性能。
通過精確的控制材料結構，他們成功制備了擁有高撕裂能(33720 J m-2)，高疲勞閾值(2250 J m-2)，以及類似于皮膚模量 (0.7 MPa)的柔性執行器。作者還進一步設計實驗證明了結晶鏈段在增強驅動性能方面的重要作用。從Figure 2c,d中我們可以看出，對于不含有結晶鏈段的柔性執行器，當溫度升高到40°C時候，材料將無法承受重物而斷裂。然而，擁有結晶鏈段的柔性執行器卻可以在溫度刺激下舉起自身3000倍重量的物體。并且，柔性執行器可在40°C驅動下產生大功率(450 W kg-1)，這一點對于實現柔性執行器在生物醫藥器件領域的應用至關重要。該論文近期發表在先進材料上。
原文鏈接: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202402278
作者簡介：
蔣臻博士，本文第一作者和通訊作者。現為臥龍崗大學澳大利亞優秀青年基金獲得者(ARC DECRA Fellow)。曾師從復旦大學俞燕蕾教授，2019年博士畢業于澳大利亞昆士蘭大學。主要研究方向是智能形變高分子材料的設計，合成以及應用。迄今為止，發表17篇第一作者論文，比如Science, Adv. Mater., Angew. Chem., J. Am. Chem. Soc., Adv. Funct. Mater., Adv. Sci., Chem. Mater. 等。
Prof. Geoff Spinks received his PhD from the University of Melbourne in 1990 for his work on the mechanical behaviour of polymers and he has maintained a research interest in this area specialising in mechanical actuator materials (artificial muscles). Geoff is currently Senior Professor and Head of School in the School of Mechanical, Materials, Mechatronic and Biomedical Engineering at the University of Wollongong, Australia. Geoff has published over 250 journal articles detailing the development and properties of a range of materials including conducting polymers, carbon nanotubes, hydrogels, liquid crystal elastomers and twisted and coiled polymer fibers. His current interests include new product development and new manufacturing methods (such as 3D printing) that utilise his artificial muscle materials.
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