LCE软机器东谈主登场！热场光控下的多模态指引外传？
公共好！今天来了解一项液晶弹性体（LCE）软机器东谈主量度——《Multimodal Autonomous Locomotion of Liquid Crystal Elastomer Soft Robot》发表于《Advanced Science》。在机器东谈主期间不休演进的程度中，软机器东谈主虽有后劲但濒临诸多挑战。而这款 LCE 软机器东谈主可不一般，它无需复杂外部限度就能完毕多模态自主指引，像热场中的滚动、进步，光控下的各式灵行径作，它究竟是若何作念到的呢？
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一、量度配景
在面前科技限制，软机器东谈主的发展备受柔顺。传统刚性机器东谈主在某些任求实施上存在局限性，而软机器东谈主因其优柔软敏捷的特点，具备完成复杂任务的后劲。软机器东谈主的打算旨趣多受生物物种启发，其驱动频频源于能对外部刺激反馈的软材料，常见的外部限度神志包括冷却-加热、光的开关、电场和磁场等，通过切换这些刺激可完毕多模态指引。可是，外部限度虽在很厚情况下成心，但也截止了软机器东谈主的自主性。当然界中的自轰动风物，如心跳和海潮，为打算自主迁徙系统治来灵感，而将自轰动迁徙为自主指引，是软机器东谈主量度的一个迫切想法。咱们的量度旨在打算一种既能自主指引，又能通过经典按需限度顺次完毕多种指引模态的软机器东谈主。
二、LCE的合成与机械检修
1、合成经由
使用四种单体前体合成LCE薄膜，其中包括液晶基元（RM82）、光反馈液晶基元（含偶氮苯的二丙烯酸酯）、二硫醇（EDDET）和四硫醇交联剂（PETMP），同期使用三乙胺（TEA）和光激励剂（DMPA）算作催化剂/激励剂，且总硫醇和丙烯酸酯基团的摩尔比固定为0.9。为确保热反馈主导，光反馈液晶基元保握在热反馈液晶基元（RM82）的5%。
热固化触发硫醇-丙烯酸酯迈克尔点击反应，酿成轻度交联的LCE集聚，随后在UV光下进一步固化剩余丙烯酸酯部分，得到密集交联集聚。
2、机械检修设施
LCE的机械检修在室温下进行，轻度交联的LCE薄膜在UV固化前资格两阶段经由。第一阶段，薄膜单轴拉伸至第一应变（ε1），并在掩膜UV光下固化；第二阶段，样品进一步拉伸至第二应变（ε2），然后在无掩膜的UV光下固化，两个阶段的固化期间均为5分钟。在这经由中，UV固化锁定了机械开拓的液晶基元取向。
检修完成后，得到具有特定取向度和想法的LCE。举例，咱们柔顺ε1为80%、偏移角为45°、条带宽度为10μm的LCE样品，采纳ε2为116%以取得最好驱动性能，此时LCE样品厚度减至0.36mm。非图案化参考样品制备顺次调换，但不使用掩膜，其在偏振光学显微镜（POM）图像中夸耀沿拉伸想法对皆，而图案化样品的两个区域虽也对皆，但想法偏移近45°。
3、参数优化采纳
关于双固化集聚，界说交联剂含量为四硫醇交联剂与二硫醇的摩尔比（η PETMP/η EDDET）。调整交联剂含量可调整LCE集聚性能，交联减少时，LCE的驱动应变增多，但杨氏模量下落；交联剂含量也影响向列相到各向同性相的革新温度（TNI），在80°C至97°C范围内，交联剂含量越高，TNI越高。轮廓磋议，咱们采纳交联剂含量为η PETMP/η EDDET = 1/4（TNI:93℃）用于后续履行。
三、热场下的自主指引
1、联结滚动指引机制与风物
当机械检修后的LCE置于120°C热板上时，会施展出自主联结指引，指引想法随即。以一个长40mm、宽1.5mm的扁平矩形LCE薄膜为例，其指引周期包括在1.6s内慢慢朝上拱起，然后迅速塌陷并联结两次翻转（均在0.1s内完成），最终回到开动扁平气象但蓝色面朝上，如斯轮回完毕联结自主迁徙。
这种自握续指引源于热场，热板名义虽设定为固定温度，但周围空气存在温度梯度。LCE战斗热板后受热粗豪，因底部先受热粗豪，导致朝上拱起，同期黄色和橙色区域因取向不同粗豪想法不同产生内应力，进一步促进拱起。通过有限元分析证据了这依然由，其与履行不雅察终局一致。当拱起达到临界点时，LCE失去均衡塌陷并翻转迁徙，轮回此经由完毕联结指引。无图案化的LCE仅施展出最小的开动拱起，无法完毕自握续指引。
2、指引速率优化要素
指引想法虽随即，但联结指引经由中有部分单向指引，咱们通过这部分指引笃定平均速率。合座指引速率受开动悠闲拱起设施影响，咱们通过改动样品几何花式来优化速率。当样品长度固定为40mm时，改动宽度发现速率先随宽度增多而增多，在宽度为1mm时达到峰值约9.3mms-1，超越此宽度速率下落，这是因为宽样品拱起更容易但更富厚不易塌陷。固定宽度时，样品长度增多速率险些线性增多，因为更长样品更早失去均衡达到塌陷点。此外，存在临界宽度阈值，超越此宽度LCE仅拱起而不翻转迁徙，且临界宽度随样品长度增多而增多。
热板名义温度也影响速率，低于110°C时无联结指引，超越此温度速率随温度升高而增多，在135°C达到最大值，之后随温度升高指引变慢，160°C时住手指引。
这与前边提议的机制一致，即温度需超越LCE的TNI才能指引，且LCE上名义温度应富裕低于TNI以促进冷却增强的朝上拱起，同期LCE在约300°C才动手见解，在110-160°C范围内热富厚，在130°C老化4小时后驱动应变仅隐微下落（从75%到72%）。
3、指引想法限度顺次
关于对称矩形样品，其要点在中间，指引想法随即，但几何花式的轻捷偏差可限度指引想法。举例，将扁平LCE薄膜切成隐微舛误花式（平面拱形），它会沿拱形想法握续指引；三角形LCE薄膜因几何偏差会作念圆周指引，改动三角形花式可完毕更紧凑的圆周指引。
四、自主进步指引及多指引组合
1、进步机制与完毕经由
理思的机器东谈主应具备多种按需指引能力，进步是一种高能量需求的指引。此前大宗进步机器东谈主需改动刺激要求来开拓进步，自主进步机器东谈主罕有，且尚窝囊实施多种指引的自主机器东谈主。咱们猜度通过垄断能量积存可使LCE完毕进步，举例在拱起指引前施加相宜拘谨，通过调整LCE与热板间的粘附力（将LCE置于粘性名义）可完毕此拘谨。
制作了轴对称条带结构并置于涂有粘性硅油的热板上，LCE顺利完毕抛物线进步，进步在0.24s内完成，最大起赶快度和进步高度诀别接近0.8ms-1和45mm。
通过有限元分析考据了进步经由的表面模子，与咱们提议的机制一致。表面上LCE可近似进步，但实质中因进步时在空中停留期间短（约0.2s），无法通过当然冷却实足回报到开动气象，导致每次进步后取得的能量减少，进步高度逐次裁汰，六次进步后失去进步能力。
不外，若能延长在空中期间（如使用能产生更高驱动应力的LCE完毕更高开动进步），可改善联结进步性能，以至完毕无限进步。在面前系统中，完成一个自主轮回后，将LCE从热板上取下在环境要求下实足冷却，可回报进步能力，归拢LCE样品的十次进步轮回履行标明其每次轮回都能近似进步，尽管进步性能有一定变化。
2、多指引组合演示
为解说滚动和进步指引可在自主轮回中组合，咱们制作了平面拱形LCE（40mm×1mm×0.36mm）并置于热板特定区域（“升起线”涂有硅油）。当LCE机器东谈主滚动到升起线时，像跳远指引员通常上前进步，之后继续像跑步者通常滚动。此外，径直将LCE置于升起线时，它还能完毕“进步-进步-跑步”的指引。
五、光控多模态自主指引
1、光控指引演示与效力
诳骗LCE的光反馈特点（源于偶氮苯部分）将其从单指引延长到多模态指引。以平面拱形LCE样品（40mm×1mm×0.36mm）为例，当光照耀在拱形侧面中点约1s后，LCE在光移除后动手反向联结指引，类似汽车倒车；当光从上方实足照耀时，迁徙的LCE“汽车”会住手，光关闭后再次迁徙；光从拱形后面照耀或沿长轴扫过样品时，LCE诀别施展出延粗豪转弯动作。若光在一端联结照耀4-5s，LCE会出现滞后风物，即使光关闭后仍保握圆周指引约15s，然后回报直线指引，这些复杂指引仅需简便已而的光刺激，就像遥控汽车采纳领导通常。
2、指引机制与应用场景
上述多模态指引源于偶氮苯单位的反式-顺式异构化引起的局部LCE粗豪，此经由以高度可控神志“干涉”了LCE的当然热反馈。在短光泄漏期间（5s内），光热效应可忽略，因为即使延长光泄漏60s也仅产生约2-3°C的隐微温度升高。光关闭后，在高温下反式迅速回报为顺式，LCE恢规复始指引，但光开拓异构化程度富裕高时，顺式-反式异构化不会立即发生，导致LCE行径滞后。
咱们的LCE软机器东谈主的光控自主指引可实施复杂功能，举例将LCE切成梯形置于热板上，其因几何分歧称当然作念圆周指引，可绕过第一个顽固物，前端已而光照后可回身绕过第二个顽固物，近似类似设施可完毕类似数字“8”的复杂轨迹。
光控自主指引不仅在空气环境中有用，在水（20mm深度）环境中，软机器东谈主仍能在热板上完毕自握续联结指引，尽管速率因水的阻力和/或温度梯度各异而裁汰，但不影响云尔光触发效力。此外，咱们还展示了类似虫豸趋热性的行径，将LCE置于带有非加热圆形中心的热板上，LCE在热板上随即指引后最终被困在冷鸿沟，被困的LCE可通过光开释，使其隔离中心冷罗网。
六、量度牵挂与瞻望
咱们的LCE机器东谈主通过简便工艺制造，在热场中能完毕自主联结滚动指引，这源于梯度热场与花式变化间的反馈回路及能量积存。当能量积存富裕时，可从滚动可逆地迁徙为进步。此外，LCE的光反馈特点提供了专有的门控限度，联结热驱动自主指引，通过及时光限度可完毕多种复杂指引功能，如围绕顽固物迁徙、师法虫豸趋热行径等。可是，咱们的LCE机器东谈主也存在一些不及，举例需要高温（高于110°C）操作，驱动受传热截止，光控指引模式需手动切换。过去的量度想法可聚焦于裁汰驱动温度，举例通过调整LCE的来完毕，同期升迁传热效力以加速指引速率。此外，可增强反式-顺式异构化能源学的滞后性，使光中断的指引能握续更始终间，从而进一步延长机器东谈主的多功能性，为过去软机器东谈主打算提供更有眩惑力的处分决策。
七、一皆来作念作念题吧
1、软机器东谈主的打算旨趣主要受什么影响？
A. 物理定律
B. 化学合成
C. 生物物种
D. 数学模子
2、在 LCE 的合成中，光反馈液晶基元占热反馈液晶基元（RM82）的比例是几许？
A. 10%
B. 5%
C. 15%
D. 20%
3、LCE 在热板上指引时，以下哪个要素不会影响其指引速率？
A. 样品宽度
B. 样品长度
C. 热板温度
D. 履行室湿度
4、LCE 完毕进步指引的关键在于什么？
A. 增多光强
B. 调整与热板间的粘附力
C. 改动样品花式
D. 升迁热板温度
5、LCE 的光控指引主要源于什么？
A. 光热效应
B. 偶氮苯单位的异构化
C. 液晶基元的取向变化
D. 交联剂的作用
参考文件：
Zhou X, et al. Multimodal Autonomous Locomotion of Liquid Crystal Elastomer Soft Robot. Adv Sci (Weinh). 2024 Jun;11(23):e2402358.