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臥龍崗大學(xué)蔣臻博士/ Geoffrey Spinks教授 AM：兼具抗撕裂能力、類似皮膚低模量、低溫驅(qū)動(dòng)的高性能柔性執(zhí)行器
2024-05-02  來(lái)源：高分子科技

  近年來(lái)，受軟體動(dòng)物的啟發(fā)，新型柔性執(zhí)行器的研究引起了人們的廣泛關(guān)注。該材料可以在外部刺激下改變形狀，這使得它們?cè)谲涹w機(jī)器人以及其他智能器件中有著廣泛的應(yīng)用。為了實(shí)現(xiàn)軟體機(jī)器人中安全可靠的人機(jī)交互界面，該材料性能需要滿足一系列的要求：(1) 溫和的，對(duì)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(fā)；(2) 柔性執(zhí)行器在溫和的刺激源下可產(chǎn)生優(yōu)異的形變性能；(3) 柔性執(zhí)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(zhí)行器擁有卓越的抗撕裂性能，即使受到損傷，裂紋也不會(huì)擴(kuò)展。


Figure 1. 柔性執(zhí)行器的設(shè)計(jì)和制備 (a, b), 抗撕裂性能展示(c) 以及在低溫(d)下產(chǎn)生大功率密度。


  針對(duì)以上需求和挑戰(zhàn)，研究者們巧妙的設(shè)計(jì)了柔性執(zhí)行器的分子結(jié)構(gòu) (Figure 1a,b)。首先，為了實(shí)現(xiàn)卓越的抗撕裂性能，作者在液晶交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中引入了結(jié)晶鏈段，并且通過(guò)調(diào)控麥克加成反應(yīng)的選擇性實(shí)現(xiàn)了低共價(jià)網(wǎng)絡(luò)交聯(lián)度; 其次，為了實(shí)現(xiàn)低溫響應(yīng)，作者使用了基于乙二醇的柔性擴(kuò)鏈劑；同時(shí)值得注意的是，柔性擴(kuò)鏈劑和低共價(jià)網(wǎng)絡(luò)交聯(lián)度共同作用可以使得材料擁有類似于皮膚的低模量；然后為了實(shí)現(xiàn)在低溫刺激下的優(yōu)異形變性能，作者將低交聯(lián)密度的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了大幅度拉伸(1200%)，從而產(chǎn)生高度取向液晶結(jié)構(gòu)以及大的應(yīng)變能。 


Figure 2. (a,b) 柔性執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)晶度以及共價(jià)交聯(lián)度隨著90°C下預(yù)加熱時(shí)間長(zhǎng)短的變化。LCC-10-30, LCC-10-40, LCC-10-50, LCC-10-60分別代表的是在90°C 預(yù)加熱下30 min, 40 min, 50 min 以及60 min。(c,d) 有無(wú)結(jié)晶鏈段的柔性執(zhí)行器的驅(qū)動(dòng)性能比較。

  為了實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的抗撕裂性能，作者認(rèn)為其關(guān)鍵點(diǎn)在于精確的控制液晶網(wǎng)絡(luò)的結(jié)晶以及交聯(lián)結(jié)構(gòu)。作者首先將含有可反應(yīng)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(jié)晶鏈段）的DMF混合溶液在90°C高溫下加熱一定的時(shí)間，產(chǎn)生輕度共價(jià)交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。然后放在室溫下放置兩天。在這個(gè)過(guò)程中，由于仲氨和丙烯酸酯雙鍵的反應(yīng)速率大大降低，形成的高分子網(wǎng)絡(luò)擁有較低的共價(jià)交聯(lián)度。同時(shí)，高分子鏈段可以很好得形成結(jié)晶區(qū)。研究結(jié)果表明，隨著預(yù)加熱時(shí)間的增加，材料的結(jié)晶度大幅度降低以及共價(jià)交聯(lián)度大大提高 (Figure 2a,b)，這將不利于實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的抗撕裂性能。
通過(guò)精確的控制材料結(jié)構(gòu)，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(zhí)行器。作者還進(jìn)一步設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)證明了結(jié)晶鏈段在增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)性能方面的重要作用。從Figure 2c,d中我們可以看出，對(duì)于不含有結(jié)晶鏈段的柔性執(zhí)行器，當(dāng)溫度升高到40°C時(shí)候，材料將無(wú)法承受重物而斷裂。然而，擁有結(jié)晶鏈段的柔性執(zhí)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(zhí)行器可在40°C驅(qū)動(dòng)下產(chǎn)生大功率(450 W kg-1)，這一點(diǎn)對(duì)于實(shí)現(xiàn)柔性執(zhí)行器在生物醫(yī)藥器件領(lǐng)域的應(yīng)用至關(guān)重要。該論文近期發(fā)表在先進(jìn)材料上。


  原文鏈接: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202402278


作者簡(jiǎn)介：


蔣臻博士，本文第一作者和通訊作者。現(xiàn)為臥龍崗大學(xué)澳大利亞優(yōu)秀青年基金獲得者(ARC DECRA Fellow)。曾師從復(fù)旦大學(xué)俞燕蕾教授，2019年博士畢業(yè)于澳大利亞昆士蘭大學(xué)。主要研究方向是智能形變高分子材料的設(shè)計(jì)，合成以及應(yīng)用。迄今為止，發(fā)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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