机器人新材料-液晶弹性体

摘要：液晶弹性体（LCEs）是由柔性聚合物链组成的轻度交联网络结构，其中嵌入了液晶的介晶单元。这种独特的结构使其兼具液晶的各向异性和弹性体的弹性，既能够像液晶一样对外界刺激产生特定的响应，又具备类似橡胶的柔韧性和可回复性。

液晶弹性体（LCEs）

液晶弹性体（LCEs）是由柔性聚合物链组成的轻度交联网络结构，其中嵌入了液晶的介晶单元。这种独特的结构使其兼具液晶的各向异性和弹性体的弹性，既能够像液晶一样对外界刺激产生特定的响应，又具备类似橡胶的柔韧性和可回复性。

按刺激响应方式分类

热响应液晶弹性体

是最常见的一种类型，取向后的液晶基元在温度变化时发生可逆的液晶相转变，导致液晶基元沿取向方向可逆收缩伸长，进而引起材料发生可逆的形状变化。

光响应液晶弹性体

其液晶基元含有光敏基团，如偶氮苯基团。在特定波长的光照下，光敏基团发生结构变化，从而带动液晶弹性体的形状发生改变。

磁响应液晶弹性体

在聚合物网络中预先存储磁性材料，磁性材料在磁场的作用下运动，进而引起液晶弹性体整体运动。

湿度响应液晶弹性体

基于液晶基元相转变时的收缩或膨胀来实现对湿度的响应。通过改变液晶弹性体表面的亲水性等方式，使其在不同湿度条件下发生可逆的形变。

可逆形变能力

在外界刺激下，如温度、光、电、磁等的变化，液晶弹性体能够发生宏观的可逆形变，当撤去刺激后，又可以恢复到原来的形状。

高取向性

液晶基元在聚合物网络中可以通过外力作用（如拉伸、剪切等）实现高度定向排列，从而使液晶弹性体在特定方向上表现出独特的物理和化学性质。

各向异性

由于液晶相的存在，液晶弹性体在不同方向上的物理性质（如光学、力学、电学等）存在差异，这种各向异性使得其在不同应用场景中能够发挥独特的作用4。

智能响应特性

能够对多种外界刺激产生响应，并且可以通过设计和调控液晶基元的结构、交联网络的密度等因素，来实现对其响应特性的定制，以满足不同的应用需求。

软体机器人

其大变形与可逆变形的特点，使其可用于制造各种仿生机械，如章鱼启发的机器人触手、树干启发的机械手以及蠕虫启发的结构等，能够实现类似生物的灵活运动。

生物医学设备

可用于制造可主动贴合皮肤的智能心率监测腕带系统等，还可作为组织工程支架材料，为细胞的生长和组织的修复提供合适的微环境1。

可穿戴电子

例如集成液态金属电路的液晶弹性体腕带，在 PID 温控下主动贴合手腕，显著提高了测量精度并降低了噪声，可应用于智能手表、手环等可穿戴设备中1。

传感器

能够感知温度、湿度、压力、化学物质等多种物理和化学信号的变化，并将其转化为可检测的物理量变化，如电阻、电容、光学信号等，用于环境监测、生物医学检测等领域。

可作为机械活性软材料，用于制造各种驱动器，如光驱动微手爪、光驱动水中行走等微执行器，在微机电系统（MEMS）等领域有重要应用。

人形机器人中的应用：

液晶弹性体可应用于驱动器、人工肌肉等领域。液晶弹性体（LCEs，Liquid Crystal Elastomers）是由柔性聚合物链组成的轻度交联网络结构，其中嵌入了液晶的介晶单元（Mesogens）。这样的结构使得液晶弹性体具有类似橡胶的柔性、弹性，同时也使得其中的介晶单元保留了很多原本液晶的特性。由于介晶单元的存在，在外部刺激的触发下（如温度、湿度、有机溶剂、电场、离子、光照、磁场等）介晶单元会发生有序-无序的相变，最终将会导致液晶弹性体材料在宏观尺度上的形状变化。基于这类特性，液晶弹性体材料在驱动器、传感器、人工肌肉等领域中具有较大的应用潜力。

液晶弹性体人工肌肉的性能已经达到甚至超过生物肌肉的水平。为了满足用于人工肌肉不同的功能要求，液晶弹性体可以根据应用场景的具体需求进行定制和塑造，主要的形态包括块状、薄膜状、纤维状。

制备这类液晶弹性体的方式主要可以分为3D打印、干/湿法纺丝、模板法三种。随着近年来研究的逐步深入，液晶弹性体人工肌肉的各项性能已逐步达到甚至超过生物肌肉的水平。根据相关论文数据，液晶弹性体纤维的密度和杨氏模量与肌肉纤维处于同一水平，同时液晶弹性体纤维具备更高的驱动应变、驱动应力、功密度及功率密度。在液晶弹性体中，具有液晶相关性能的介晶单元为影响整体材料性能的核心之一。随着液晶弹性体在产业界应用的逐步落地，将有望对液晶产业形成拉动

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