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  液晶彈性體(LCE)具有可逆驅(qū)動(dòng)行為，拓展了工程設(shè)備的功能可設(shè)計(jì)性，適用于許多應(yīng)用，包括醫(yī)療、能量收集和軟機(jī)器人等。LCE 驅(qū)動(dòng)的先決條件在于液晶基元排列,可以通過機(jī)械拉伸、表面錨定和外場(chǎng)誘導(dǎo)取向來實(shí)現(xiàn)。然而，它們的運(yùn)動(dòng)復(fù)雜性依賴于不靈活、較繁瑣的液晶基元排列技術(shù)。因此，如何制備取向流程簡(jiǎn)單、形狀復(fù)雜度高的液晶彈性體需要進(jìn)一步研究。

  該團(tuán)隊(duì)采取了一種數(shù)字光固化方法，超快速制造LCE（無模板），并進(jìn)行復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)行為的設(shè)計(jì)。該方法采用商用投影儀進(jìn)行數(shù)字光固化處理（圖1b）,利用沿厚度方向的光衰減現(xiàn)象形成梯度固化。正面具有最高的交聯(lián)密度和最低的未反應(yīng)單體含量，背面則相反。當(dāng)未反應(yīng)的單體揮發(fā)時(shí)，整個(gè)厚度方向的區(qū)別化脫除程度使得固化后的平面膜轉(zhuǎn)化為三維幾何形狀（圖1c中間略微卷曲的“花”）。同時(shí)，液晶基元自發(fā)進(jìn)行取向，最終得到具有復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)的取向的液晶彈性體，繼而能夠產(chǎn)生可逆的彎曲變形。

圖1 液晶彈性體的數(shù)字化制備 (a) 前驅(qū)體單體化學(xué)結(jié)構(gòu)。(b) 數(shù)字光固化示意圖。(c) 液晶基元排列和可逆驅(qū)動(dòng)的機(jī)理圖。

  為了設(shè)計(jì)更穩(wěn)定的可逆形變行為，利用數(shù)字光固化的時(shí)空參數(shù)可控的特性在同一樣品中復(fù)合兩個(gè)曝光時(shí)間的方法實(shí)現(xiàn)了基礎(chǔ)模塊的構(gòu)筑。

  借鑒肌肉的運(yùn)動(dòng)原理，即通過多個(gè)肌肉束的簡(jiǎn)單收縮/擴(kuò)張的協(xié)同作用來實(shí)現(xiàn)不同的運(yùn)動(dòng)的機(jī)理，利用數(shù)字光來自由設(shè)計(jì)由多個(gè)模塊（簡(jiǎn)單彎曲變形）組成并協(xié)同作用的LCE模塊集成（圖2）。

圖2 設(shè)計(jì)模塊集成的LCE。圖案中的淺藍(lán)色線和深藍(lán)色線分別代表9秒和16秒的曝光時(shí)間。所有比例尺均為10 mm。

  因此，能夠在不使用任何物理模板的情況下，在 25 s光固化時(shí)間內(nèi)快速制造出具有高度可設(shè)計(jì)性的 LCE，這為設(shè)計(jì)具有功能多樣性的軟體機(jī)器人提供了一個(gè)新的方向。

  以上相關(guān)成果發(fā)表在Advanced Materials（Adv. Mater. 2021, 2105597）上。論文的第一作者為浙江大學(xué)化工學(xué)院碩士生方夢(mèng)琦，共同第一作者為浙江大學(xué)航空航天學(xué)院碩士生劉濤，通訊作者為謝濤教授、賈錚教授與鄭寧博士。

  論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202105597