具有多刺激响应驱动能力和多模式运动特性的各向异性液晶水凝胶驱动器

《Science China-Materials》：Anisotropic liquid crystalline hydrogel actuators with multi-stimuli-responsive actuation and multimodal locomotion

　　各向异性水凝胶通过液态晶体聚合物与聚乙二醇多嵌段共聚物的一锅熔融缩聚法制备，拉伸形成稳定层状微结构，实现水/湿度刺激下的可逆形变与各向异性膨胀，机械性能优异（断裂强度11.2-14.7MPa，断裂应变1600%-2100%），并表现出抓取物体、跨水空气转移、雨天握持、湿度刺激下的行走和后空翻，以及盐水刺激下的斜坡攀爬等多样化运动能力。

　　

摘要

各向异性水凝胶因其在外部刺激下能够实现形状变形并产生各向异性响应而在执行器、软体机器人和人工肌肉领域受到了广泛关注。本文提出了一种利用液晶聚合物（LCPs）制备各向异性水凝胶的新方法。通过一步熔融缩聚反应，合成了一系列具有不同PEG链段分子量的液晶聚酯-聚乙二醇（LCP-PEG）多嵌段共聚物。在拉伸过程中，LCP-PEG会形成稳定的、有序的微相分离层状结构，这种结构使得LCP-PEG在PEG晶体熔化收缩和结晶膨胀的作用下能够发生可逆的形状变化。这种独特的结构使得水凝胶在接触水或湿气时表现出各向异性的膨胀行为。得益于这种有序的微相分离层状结构，各向异性液晶水凝胶具有较高的断裂强度（11.2–14.7 MPa）、断裂应变（1600%–2100%）、断裂能（1.7–2.8 MJ m^?2）和杨氏模量（51.2–139.9 MPa）。此外，各向异性LCP-PEG水凝胶执行器展现出多种多样的运动方式，包括在水中和空气中抓取和转移物体、在雨天条件下抓取物体、在湿度刺激下在棘轮图案表面上行走和翻滚，以及在盐水刺激下通过翻滚动作攀爬斜面。

各向异性水凝胶因其在外部刺激下能够实现形状变形并产生各向异性响应而在执行器、软体机器人和人工肌肉领域受到了广泛关注。本文提出了一种利用液晶聚合物（LCPs）制备各向异性水凝胶的新方法。通过一步熔融缩聚反应，合成了一系列具有不同PEG链段分子量的液晶聚酯-聚乙二醇（LCP-PEG）多嵌段共聚物。在拉伸过程中，LCP-PEG会形成稳定的、有序的微相分离层状结构，这种结构使得LCP-PEG在PEG晶体熔化收缩和结晶膨胀的作用下能够发生可逆的形状变化。这种独特的结构使得水凝胶在接触水或湿气时表现出各向异性的膨胀行为。得益于这种有序的微相分离层状结构，各向异性液晶水凝胶具有较高的断裂强度（11.2–14.7 MPa）、断裂应变（1600%–2100%）、断裂能（1.7–2.8 MJ m^?2）和杨氏模量（51.2–139.9 MPa）。此外，各向异性LCP-PEG水凝胶执行器展现出多种多样的运动方式，包括在水中和空气中抓取和转移物体、在雨天条件下抓取物体、在湿度刺激下在棘轮图案表面上行走和翻滚，以及在盐水刺激下通过翻滚动作攀爬斜面。