清華大學楊忠強課題組：3D打印程序可控的液晶彈性體柔性氣動驅(qū)動器

來源：高分子科學前沿

柔性氣動驅(qū)動器（SPA）由于其良好的生物接觸安全性和便捷的驅(qū)動方式被廣泛應用于醫(yī)療輔助器、工業(yè)操控手和仿生機器人等領域�，F(xiàn)有的SPA大多以各向同性的柔性高分子作為基材，需要額外引入高強度限制材料或構(gòu)建異質(zhì)結(jié)構(gòu)形成結(jié)構(gòu)上的力學各向異性，從而控制其形變模式�，F(xiàn)有的構(gòu)筑策略難以避免造成潛在的界面問題或者降低材料的利用效率。

為此，清華大學化學系楊忠強課題組通過改良的3D打印技術依靠具有本征各向異性的液晶彈性體（LCE）材料構(gòu)建SPA。這種液晶彈性體柔性氣動驅(qū)動器（LCE-SPA）無需額外引入高強度限制材料或異質(zhì)結(jié)構(gòu)，通過對于打印路徑的編程設計就能控制LCE的取向，從而實現(xiàn)不同的氣動形變模式。

圖1 3D打印構(gòu)建取向可控的LCE中空管

在此工作中，我們發(fā)展一種在旋轉(zhuǎn)基底上3D打印LCE的技術。相較于傳統(tǒng)使用平面基底進行LCE打印的工作，其能一步直接構(gòu)建表面取向精確可控的LCE中空管。這種利用打印構(gòu)建的LCE中空管在平行和垂直取向方向展現(xiàn)出明顯的力學各向異性。在同等應變情況下，沿平行取向方向的應力能達到垂直取向方向的40倍以上。

圖2 不同取向的LCE-SPAs氣動形變

通過對于打印路徑的設計，我們構(gòu)建具有可控三維取向的LCE-SPAs。這些LCE-SPAs能依據(jù)取向產(chǎn)生的力學各向異性實現(xiàn)不同設定形變——長軸縮短、長軸伸長、彎曲和扭轉(zhuǎn)。

圖3 具有復雜取向的LCE-SPAs的氣動形變

在實際使用環(huán)境中，工作往往需要更為復雜的形變模式。這種復雜的形變可以由諸如縮短、伸長、彎曲、扭轉(zhuǎn)等基礎形變組合而成。在明確基礎形變和取向的關系后，我們將圖2中四種基礎形變對應的不同液晶取向相互組合，構(gòu)建具有復雜形變能力的LCE-SPAs。

圖4 LCE-SPAs執(zhí)行不同任務

其后我們也驗證LCE-SPAs的做功能力。比如，軸向取向的LCE-SPAs在80 kPa下能提起自身重量約350倍的重物，提升至原長的80%。環(huán)向取向所構(gòu)建的LCE-SPAs能在120 kPa下伸長至原長的133%，在撤去氣壓后回復原長。由3個彎曲形變LCE-SPAs構(gòu)成的三指柔性抓手在80kPa驅(qū)動下能提起裝有麥片的提籃。扭轉(zhuǎn)取向的LCE-SPAs則在其下端粘附紙張作為混合漿片后，能以0.5 Hz的頻率在30 s內(nèi)混合均勻30 mL液體。

這種通過氣壓驅(qū)動的LCE驅(qū)動器相較于常見的熱驅(qū)動的LCE驅(qū)動器，其無需高溫具有更好的生物安全性，同時也無需持續(xù)熱量輸入即可維持形變具有更好的能量利用效率�？偠�言之，此工作不僅推動了基于氣動驅(qū)動的LCE柔性器件的發(fā)展，也為構(gòu)建SPA提供一種新的方法和思路。

清華大學化學系廖威博士生為此工作的第一作者，楊忠強副教授為通訊作者。以上工作得到國家自然科學基金和清華大學自主科研計劃的資助。

論文信息：Wei Liao, Zhongqiang Yang*，3D Printing Programmable Liquid Crystal Elastomer Soft Pneumatic Actuators，Materials Horizons，DOI：10.1039/d2mh01001a