清华杨忠强课题组Small：开发出一种用于人工肌肉的兼具快速、大幅度可逆形变能力的电热响应液晶弹性体纤维

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液晶弹性体（LCE）纤维在特定的刺激下可以通过有序-无序相变产生大幅度的可逆收缩，并输出显著的机械功，使其成为理想的人造肌肉。在自然界中，人类骨骼肌能以50% s^-1的速度产生40%以上的大幅度收缩，以完成跳跃、踢腿和投掷等激烈运动。遗憾的是，到目前为止，已报道的LCE纤维都没有实现超高速的大幅度收缩，无法模仿人类真实肌肉执行剧烈运动。这主要是因为热响应型LCE纤维由于受到传播介质空气的低导热性的限制，一般不能快速加热，导致收缩缓慢；其次，光响应型LCE纤维，由于光的直线传播，在异质光照射下通常表现为弯曲变形，难以产生实质性的收缩变形。

为此，清华大学杨忠强副教授课题组制备了一种含有液态金属（LM）的电热响应LCE纤维（LM-LCE纤维），兼具快速、大幅度的可逆形变能力，并能以高功密度和高特征功率对外输出功。

图1. LM-LCE纤维的制备及其在连续电刺激下的收缩特性。

该团队利用滚轴涂覆的方法制备了双层夹心结构的LM-LCE纤维。LM的导电性赋予LCE电热响应性；其次，LM流体特性降低了对LCE变形的限制，确保LCE可以自由产生大幅度收缩（ΔL/L₀ ~ 0.4）。LM-LCE纤维经过1000次电循环后仍保持良好的电热响应性能。

图2. 电压值和脉冲时间对LM-LCE纤维的收缩率和收缩速率的影响。

在利用纤维驱动器作为人工肌肉对外做功时，希望纤维能提供大的输出功和高的输出功率。前者要求纤维产生大的收缩率，而后者则要求高的收缩速率。对热响应的LCE纤维而言，形变率由纤维所达到的温度决定，而形变速率由纤维的升温速率决定。通过电热效应操控LM-LCE纤维形变时，纤维温度及升温速率均可通过改变电刺激的参数进行调控：通过调控电压，LM-LCE纤维在各个通电时间下均可以达到约43%的最大形变率，与人类骨骼肌的最大收缩率（>40%）相近。在15 V，0.1 s的电压刺激下，纤维的升温速率达到最大，约为562 °C·s^-1，此时，纤维的平均形变速率也达到最大，约为284 %·s^-1，是人类骨骼肌收缩速率（>50%·s^-1）的5倍以上。

图3. 模仿人类肱三头肌的LM-LCE纤维驱动的精确抛球。

最后，该团队展示了LM-LCE纤维作为人工肌肉对外做功的能力。设计了人工手臂以模拟投篮时肱三头肌快速收缩做功的过程：LM-LCE纤维在脉冲电刺激下发生快速收缩，带动模拟前臂的投射杆将小球加速投出。由于LM-LCE纤维可以通过调控电压及通电时间发生可控形变，因此所制备的人工手臂实现了对小球抛射速度和距离的精确控制。在这一过程中，LM-LCE纤维的特征功率可以通过改变输入电能实现在0~367 W·kg^-1的大范围内精确控制，且纤维输出的最大特征功率超过了人类骨骼肌（280 W·kg^-1）。LM-LCE纤维在电致形变过程中能抬起自身重量220倍以上的物体，输出0.6 MPa的收缩应力，并产生最大417 kJ·m^-3的功密度，是人类骨骼肌性能（40 kJ·m^-3）的10倍。

以上研究成果以《Ultra-Fast, High-Contractile Electrothermal-Driven Liquid Crystal Elastomer Fibers towards Artificial Muscles》为题，发表在Small上。清华大学化学系2020级孙家豪博士生为第一作者，杨忠强副教授为通讯作者。王云鹏和廖威博士生参与了该研究。以上工作得到国家自然科学基金的资助。

原文链接：

https://doi.org/10.1002/smll.202103700

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