清華新聞網(wǎng)6月14日電 柔性驅(qū)動(dòng)器具有柔性和適應(yīng)性，相較于傳統(tǒng)的剛性驅(qū)動(dòng)器能夠更好地與脆弱物體或生物體進(jìn)行安全交互，適應(yīng)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)環(huán)境。在眾多用于構(gòu)筑柔性驅(qū)動(dòng)器的智能材料中，液晶彈性體（LCE）因其能夠在外部刺激下發(fā)生取向變化，產(chǎn)生大幅度可逆形變而引人關(guān)注。然而，目前增材制造方法通常引入化學(xué)交聯(lián)來(lái)固定LCE網(wǎng)絡(luò)，一旦成型難以二次加工和回收利用。如何制備具有特定三維形變能力且可完全回收的LCE驅(qū)動(dòng)器仍具挑戰(zhàn)。為此，清華大學(xué)化學(xué)系楊忠強(qiáng)課題組首次提出了基于針織技術(shù)增材制造LCE驅(qū)動(dòng)器的策略。
圖1.（a）針織結(jié)構(gòu)LCE驅(qū)動(dòng)器的制備、拆解和再針織過(guò)程；（b）正針及（c）反針LCE針織環(huán)的結(jié)構(gòu)及內(nèi)部扭矩示意圖
課題組首先利用熔融紡絲技術(shù)連續(xù)制備了沿纖維長(zhǎng)軸取向的LCE纖維，隨后通過(guò)商用針織機(jī)加工成含有不同針織組織的LCE織物。由于針織結(jié)構(gòu)由單根連續(xù)纖維通過(guò)物理纏結(jié)組成，LCE驅(qū)動(dòng)器可以被拆解，并重新針織成其他結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)反復(fù)加工和回收利用。
圖2.（A-D）模塊化構(gòu)筑具有復(fù)雜形變模式的LCE驅(qū)動(dòng)器。（E-G）通過(guò)多種織物加工技術(shù)實(shí)現(xiàn)LCE驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)與功能的拓展
在形成針織環(huán)后，LCE纖維發(fā)生三維形變，導(dǎo)致針織環(huán)結(jié)構(gòu)中存在內(nèi)部扭矩。這兩種針織環(huán)可以進(jìn)一步組合為具有不同結(jié)構(gòu)的針織組織，并調(diào)控織物結(jié)構(gòu)中的扭矩。將不同針織組織沿著預(yù)設(shè)路徑進(jìn)行組合，則可賦予LCE驅(qū)動(dòng)器豐富的幾何結(jié)構(gòu)和形變能力。通過(guò)其他針織技法及織物加工技術(shù)，還可對(duì)針織結(jié)構(gòu)LCE驅(qū)動(dòng)器的結(jié)構(gòu)與功能進(jìn)行進(jìn)一步的調(diào)控。相較于其他LCE取向成型技術(shù)，針織技術(shù)有著成熟的工業(yè)應(yīng)用歷史。因此，如能進(jìn)一步匹配工業(yè)針織技術(shù)的相關(guān)參數(shù)和需求，有望批量制備具有特定幾何形狀和可控形變能力的LCE驅(qū)動(dòng)器。此外，針織結(jié)構(gòu)LCE驅(qū)動(dòng)器的多孔結(jié)構(gòu)和軟彈性可以提供更舒適的人機(jī)交互體驗(yàn)。通過(guò)與其他功能纖維和智能織物結(jié)合，針織結(jié)構(gòu)LCE驅(qū)動(dòng)器有望作為一個(gè)可驅(qū)動(dòng)的、具有高集成度的可穿戴平臺(tái)，應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)輔助、人機(jī)交互等領(lǐng)域。
近日，相關(guān)成果以“基于針織技術(shù)增材制造液晶彈性體驅(qū)動(dòng)器”（Additive manufacturing of liquid crystal elastomer actuators based on knitting technology）為題發(fā)表于《先進(jìn)材料》（Advanced Materials）。
論文第一作者為清華大學(xué)化學(xué)系2020級(jí)博士生孫家豪，通訊作者為楊忠強(qiáng)副教授。該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金和清華大學(xué)篤實(shí)基金的資助。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1002/adma.202302706
供稿：化學(xué)系
編輯：李華山
審核：郭玲
