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  驅動器（actuator）通常需要不斷地調控外界刺激進行交替開/關來實現連續的移動。近年來，更加智能的自移動型聚合物驅動器被開發出來；這類驅動器能在恒量的、持續的外界刺激條件下，進行連續的空間移動。比如，在具有恒定的溫度的熱臺上，或者在恒定光照下，聚合物材料能自動并連續地行走或滾動。這類運動體現了兩大特征，即自動性和連續性；兩者皆為自然生物體系運動的基本特征，也是新一代人造聚合物驅動器所追求的性能。

  近日, 加拿大舍布魯克大學趙越教授團隊開發了一種具有極快運動速度和環境適應的光控液晶驅動器。基于摻雜了碳納米管的Diels-Alder動態液晶網絡（CNT-LCDAN），該團隊制備了具有多級扭轉結構的纖維及彈簧驅動器。多級扭轉的彈簧結構被證明能通過纖維的解捻來增強其的表觀驅動應變和承載能力，并已應用于制備強大的人造肌肉。利用CNT-LCDAN的材料特性以及這種結構效應，本工作實現了低光強下的快速自滾動，多地形運動，甚至可直接在在自然陽光下連續滾動，以及能在自移動的同時通過快速的彈簧伸縮調節自身尺寸而順利穿過途中的狹縫。

  該工作中采用的LCDAN以動態的、熱可逆的DA鍵作為交聯點，允許材料在DA鍵解開后在室溫下靈活地加工成復雜的，具有多級結構的幾何形狀；并通過DA鍵的重新形成將形變誘導的液晶排列自動鎖住，實現多級結構的驅動器的制備。為實現自滾動，作者通過扭轉拉伸至600%的纖維至飽和扭轉密度，然后再以相同或相反的扭轉方向將其纏繞成彈簧的形狀來分別制備同手性和異手性彈簧致動器。扭轉的CNT-LCDAN纖維驅動器能在不同光強下實現多階段運動特征，并實現沙、水表面以及斜坡上的自滾動。而多級扭轉的CNT-LCDAN彈簧驅動器能實現更高性能、低光強、以及環境適應性自滾動運動。CNT-LCDAN彈簧驅動器具有多尺度的分級結構，包括彈簧結構、纖維扭轉結構和介晶的定向排列結構。同手性彈簧致動器可以在加熱時可逆地收縮并在冷卻時伸展，而異手性彈簧形變趨勢正好相反。彈簧執行器的伸縮迅速、幅度大，如同手性彈簧在54°C時具有900%的驅動應變。這是由于，一方面，液晶材料能提供更大的基于液晶排列有序度的本征可逆驅動應變，另一方面，多級扭轉的彈簧結構通過纖維的可逆解捻可進一步放大驅動器表觀的可逆驅動應變。持續暴露在321 mW cm^-2的近紅外光下，同手性彈簧能以22 mm s^–1快速自滾動。更有趣的是只需簡單地打開一個具有一定光強的可見光燈，同手性彈簧驅動器就能自發連續地滾動 （圖1a）。此外，該運動很穩定，能在不同材質及表面上實現，包括沙子、水和人的手掌（圖1b）。運動所需的光源及光強均能控制在對人類安全的范圍之內，甚至可以直接由自然太陽光驅動在深色紙面上自移動（圖1c）。

圖1. (a) 彈簧液晶驅動器在普通可見光燈下自滾動。（b）通過可見光的驅動彈簧液晶驅動器在手掌上滾動。（c）液晶彈簧驅動器在深色的紙面上直接通過太陽光驅動。

  更有趣的是，彈簧驅動器能在光控制下快速并可逆地收縮，因此，能允許在自滾動過程中對其尺寸進行動態光調控，并順利穿越障礙物（圖2）。

圖2. 彈簧液晶驅動器通過大幅收縮長度來穿越狹窄的狹縫。

  以上成果以Dynamic Liquid Crystalline Networks for Twisted Fiber and Spring Actuators Capable of Fast Light-Driven Movement with Enhanced Environment Adaptability為題發表在美國化學會旗下期刊Chemistry of Materials上。該論文的通訊作者是加拿大舍布魯克大學趙越教授。第一作者是博士生江智超。該工作獲得了加拿大自然科學與工程研究委員會（NSERC）, 魁北克自然科學與技術研究基金（FRQNT）以及中國留學基金委（CSC）的項目支持。

  原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.chemmater.1c02073