軟材料作為活動部件在執(zhí)行或傳遞機械運動方面有著越來越廣泛的應用。源于智能機器人領(lǐng)域的發(fā)展需要，各種可響應化學、溫度、濕度、電磁場以及光刺激的組分被引入軟材料，以賦予其刺激響應性。其中，光響應性聚合物材料的刺激源是遠程可控、空間精度高的光，成為近來智能致動器領(lǐng)域研究的熱點。目前，基于光化學異構(gòu)反應、光熱效應等并結(jié)合器件不對稱結(jié)構(gòu)設(shè)計等策略，已發(fā)展了諸多光響應性致動體系，廣泛用于液體傳輸、微球轉(zhuǎn)移、光驅(qū)動馬達等場合。但是，目前基于單一光響應性軟材料體系實現(xiàn)智能器件彎曲、扭曲、轉(zhuǎn)動等多種致動需求仍是一項挑戰(zhàn)性工作。

近日，加拿大舍布魯克大學的趙越（Yue Zhao）教授研究團隊制備了近紅外（NIR）染料摻雜的液晶聚合物（liquid crystal polymer, LCP）條狀致動器，一側(cè)是單軸取向的交聯(lián)液晶單疇（致動側(cè)）而另一側(cè)是交聯(lián)液晶多疇（非致動側(cè)）。該致動器基于不同的工作條件，在NIR激光照射下能夠分別執(zhí)行正向/方向推動物體移動、轉(zhuǎn)向爬行、“手臂”擺動等一系列動作。致動器件的運動模式、方向及幅度具有優(yōu)異的可控性，在智能機器人領(lǐng)域具有巨大的應用前景。

圖片來源：Angew. Chem. Int. Ed.

研究人員以含肉桂基交聯(lián)基團的共聚物液晶彈性體（LCE）體系為非均相交聯(lián)基體材料（下圖a），以imNi8(4)（下圖b）為刺激響應性組分構(gòu)筑了光熱響應性液晶聚合物體系LCE/imNi8(4)（0.2 wt%）。該體系在974 nm處具有較強的吸收，且具有優(yōu)異的UV光穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性。在980 nm激光輻照下，該液晶體系展現(xiàn)出良好的光熱效應：在3.9 Wcm^-1 的光強下4 s內(nèi)能夠達到聚合物體系的各向同性轉(zhuǎn)變溫度（T_NI ~ 55 ℃），條狀LCP膜展現(xiàn)出優(yōu)異的可逆光致彎曲行為。

光熱響應性LCP結(jié)構(gòu)示意圖及性能測試。圖片來源：Angew. Chem. Int. Ed.

當將條狀LCP膜兩端固定時，在980 nm激光（3.9 W cm^-2）輻照條件下，能夠方便地實現(xiàn)膜表面固體棒（碳棒、玻璃棒或銅棒）的正向/反向快速傳輸（0.8 mm s^-1），棒狀物的移動位置、速度能夠通過調(diào)控NIR激光進行精確控制。而當條狀膜處于自由狀態(tài)下，通過激光輻照條狀膜能夠產(chǎn)生持續(xù)爬動，且通過激光入射角度和輻照位置的調(diào)節(jié)能夠準確實現(xiàn)條狀致動膜的左右轉(zhuǎn)向調(diào)控；致動器件的爬行速率受條狀膜尺寸以及光照強度影響。

條狀LCP膜兩端固定條件下的光致動性能測試。圖片來源：Angew. Chem. Int. Ed.

而當條狀LCP膜一端固定時，該致動膜在NIR激光輻照條件下則能夠產(chǎn)生類似于“舞者”手臂擺動的動作，且通過調(diào)整激光入射角度能夠使條狀膜執(zhí)行可逆的扭曲運動。此外，研究表明該致動器件的光響應特性能夠通過LCP聚合物膜的制備過程、膜的尺寸/厚度以及組分的摻雜量等參數(shù)進行調(diào)節(jié)。

一端固定的LCP膜光致動性能測試。圖片來源：Angew. Chem. Int. Ed.

總  結(jié)

趙越教授研究團隊采用單一的NIR染料摻雜液晶聚合物體系簡便構(gòu)筑了光響應性致動器件。基于摻雜染料體系優(yōu)異的光熱效應，該致動器件在不同工作條件下，通過NIR輻照能夠執(zhí)行各種“動作指令”，在軟體智能機器人領(lǐng)域具有廣闊的應用前景。

參考文獻：

A Multifunctional Dye-doped Liquid Crystal Polymer Actuator: Light-guided Transportation, Turning in Locomotion and Autonomous Motion，Angew. Chem. Int. Ed., 2018, 57, 11758-11763, DOI: 10.1002/anie.201807495

來源：X-mol