群众好！今天来了解一项液晶弹性体（LCE）软机器东谈主商榷——《Multimodal Autonomous Locomotion of Liquid Crystal Elastomer Soft Robot》发表于《Advanced Science》。在机器东谈主技能约束演进的程度中26uuu新地址，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，它无需复杂外部功令就能终了多模态自主教唆，像热场中的滚动、逾越，光控下的多样灵行径作，它究竟是怎样作念到的呢？

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一、商榷配景

在现在科技范畴，软机器东谈主的发展备受热心。传统刚性机器东谈主在某些任务膨胀上存在局限性，而软机器东谈主因其柔滑和敏捷的特点，具备完成复杂任务的后劲。软机器东谈主的计算旨趣多受生物物种启发，其驱动往往源于能对外部刺激反馈的软材料，常见的外部功令形势包括冷却-加热、光的开关、电场和磁场等，通过切换这些刺激可终了多模态教唆。关系词，外部功令虽在很厚情况下成心，但也截至了软机器东谈主的自主性。当然界中的自回荡征象，如心跳和海潮，为计算自主挪动系管辖来灵感，而将自回荡迁移为自主教唆，是软机器东谈主商榷的一个迫切场所。咱们的商榷旨在计算一种既能自主教唆，又能通过经典按需功令门径终了多种教唆模态的软机器东谈主。

二、LCE的合成与机械本质

1、合成经过

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）和光激发剂（DMPA）行为催化剂/激发剂，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，光反馈液晶基元保捏在热反馈液晶基元（RM82）的5%。

热固化触发硫醇-丙烯酸酯迈克尔点击反应，造成轻度交联的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、机械本质形貌

LCE的机械本质在室温下进行，轻度交联的LCE薄膜在UV固化前资历两阶段经过。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，两个阶段的固化时辰均为5分钟。在这经过中，UV固化锁定了机械开拓的液晶基元取向。

本质完成后，得到具有特定取向度和场所的LCE。举例，咱们热心ε1为80%、偏移角为45°、条带宽度为10μm的LCE样品，遴荐ε2为116%以得回最好驱动性能，此时LCE样品厚度减至0.36mm。非图案化参考样品制备门径换取，但不使用掩膜，其在偏振光学显微镜（POM）图像中自满沿拉伸场所对皆，而图案化样品的两个区域虽也对皆，但场所偏移近45°。

3、参数优化遴荐

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）。诊治交联剂含量可颐养LCE集聚性能，交联减少时，LCE的驱动应变加多，但杨氏模量着落；交联剂含量也影响向列相到各向同性相的更动温度（TNI），在80°C至97°C范围内，交联剂含量越高，TNI越高。轮廓考虑，咱们遴荐交联剂含量为η PETMP/η EDDET = 1/4（TNI:93℃）用于后续实验。

三、热场下的自主教唆

1、流畅滚动教唆机制与征象

当机械本质后的LCE置于120°C热板上时，会发达出自主流畅教唆，教唆场所立时。以一个长40mm、宽1.5mm的扁平矩形LCE薄膜为例，其教唆周期包括在1.6s内逐步朝上拱起，然后迅速塌陷并流畅两次翻转（均在0.1s内完成），最终回到运行扁平景况但蓝色面朝上，如斯轮回终了流畅自主挪动。

这种自捏续教唆源于热场，热板名义虽设定为固定温度，但周围空气存在温度梯度。LCE战役热板后受热大肆，因底部先受热大肆，导致朝上拱起，同期黄色和橙色区域因取向不同大肆场所不同产生内应力，进一步促进拱起。通过有限元分析确认了这照旧过，其与实验不雅察收尾一致。当拱起达到临界点时，LCE失去均衡塌陷并翻转挪动，轮回此经过终了流畅教唆。无图案化的LCE仅发达出最小的运行拱起，无法终了自捏续教唆。

2、教唆速率优化成分

教唆场所虽立时，但流畅教唆经过中有部分单向教唆，咱们通过这部分教唆详情平均速率。举座教唆速率受运行平定拱起形貌影响，咱们通过篡改样品几何风景来优化速率。当样品长度固定为40mm时，篡改宽度发现速率先随宽度加多而加多，在宽度为1mm时达到峰值约9.3mms-1，特出此宽度速率着落，这是因为宽样品拱起更容易但更巩固不易塌陷。固定宽度时，样品长度加多速率真是线性加多，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，特出此宽度LCE仅拱起而不翻转挪动，且临界宽度随样品长度加多而加多。

热板名义温度也影响速率，低于110°C时无流畅教唆，特出此温度速率随温度升高而加多，在135°C达到最大值，之后随温度升高教唆变慢，160°C时罢手教唆。

这与前边提议的机制一致，即温度需特出LCE的TNI才能教唆，且LCE上名义温度应富足低于TNI以促进冷却增强的朝上拱起，同期LCE在约300°C才起先瓦解，在110-160°C范围内热巩固，在130°C老化4小时后驱动应变仅细微着落（从75%到72%）。

3、教唆场所功令门径

关于对称矩形样品，其要点在中间26uuu新地址，教唆场所立时，但几何风景的眇小偏差可功令教唆场所。举例，将扁平LCE薄膜切成细微逶迤风景（平面拱形），它会沿拱形场所捏续教唆；三角形LCE薄膜因几何偏差会作念圆周教唆，篡改三角形风景可终了更紧凑的圆周教唆。

四、自主逾越教唆及多教唆组合

1、逾越机制与终了经过

理念念的机器东谈主应具备多种按需教唆才调，逾越是一种高能量需求的教唆。此前大量逾越机器东谈主需篡改刺激条目来开拓逾越，自主逾越机器东谈主稀有，且尚窝囊膨胀多种教唆的自主机器东谈主。咱们忖度通过独揽能量集会可使LCE终了逾越，举例在拱起教唆前施加顺应拘谨，通过颐养LCE与热板间的粘附力（将LCE置于粘性名义）可终了此拘谨。

制作了轴对称条带结构并置于涂有粘性硅油的热板上，LCE奏效终了抛物线逾越，逾越在0.24s内完成，最大起迅速率和逾越高度分歧接近0.8ms-1和45mm。

通过有限元分析考证了逾越经过的表面模子，与咱们提议的机制一致。表面上LCE可重迭逾越，但实质中因逾越时在空中停留时辰短（约0.2s），无法通过当然冷却总共回答到运业绩态，导致每次逾越后得回的能量减少，逾越高度逐次缩小，六次逾越后失去逾越才调。

不外，若能蔓延在空中时辰（如使用能产生更高驱动应力的LCE终了更高运行逾越），可改善流畅逾越性能，以致终了无限逾越。在现时系统中，完成一个自主轮回后，将LCE从热板上取下在环境条目下总共冷却，可回答逾越才调，并吞LCE样品的十次逾越轮回实验标明其每次轮回都能重迭逾越，尽管逾越性能有一定变化。

2、多教唆组合演示

为评释滚动和逾越教唆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，像跳远教唆员相同上前逾越，之后不绝像跑步者相同滚动。此外，径直将LCE置于升起线时，它还能终了“逾越-逾越-跑步”的教唆。

五、光控多模态自主教唆

1、光控教唆演示与后果

独揽LCE的光反馈特点（源于偶氮苯部分）将其从单教唆扩展到多模态教唆。以平面拱形LCE样品（40mm×1mm×0.36mm）为例，当光映照在拱形侧面中点约1s后，LCE在光移除后起先反向流畅教唆，近似汽车倒车；当光从上方总共映照时，挪动的LCE“汽车”会罢手，光关闭后再次挪动；光从拱形后头映照或沿长轴扫过样品时，LCE分歧发达出降速和转弯动作。若光在一端流畅映照4-5s，LCE会出现滞后征象，即使光关闭后仍保捏圆周教唆约15s，然后回答直线教唆，这些复杂教唆仅需马虎倏得的光刺激，就像遥控汽车领受指示相同。

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2、教唆机制与应用场景

上述多模态教唆源于偶氮苯单位的反式-顺式异构化引起的局部LCE大肆，此经过以高度可控形势“搅扰”了LCE的当然热反馈。在短光露馅时辰（5s内），光热效应可忽略，因为即使蔓延光露馅60s也仅产生约2-3°C的细微温度升高。光关闭后，在高温下反式迅速回答为顺式，LCE恢还原始教唆，但光开拓异构化程度富足高时，顺式-反式异构化不会立即发生，导致LCE行动滞后。

咱们的LCE软机器东谈主的光控自主教唆可膨胀复杂功能，举例将LCE切成梯形置于热板上，其因几何不合称当然作念圆周教唆，可绕过第一个收敛物，前端倏得光照后可回身绕过第二个收敛物，重迭近似形貌可终了近似数字“8”的复杂轨迹。

光控自主教唆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终了自捏续流畅教唆，尽管速率因水的阻力和/或温度梯度互异而缩小，但不影响汉典光触发后果。此外，咱们还展示了近似虫豸趋热性的行动，将LCE置于带有非加热圆形中心的热板上，LCE在热板上立时教唆后最终被困在冷规模，被困的LCE可通过光开释，使其隔离中心冷陷坑。

六、商榷转头与瞻望

咱们的LCE机器东谈主通过马虎工艺制造，在热场中能终了自主流畅滚动教唆，这源于梯度热场与风景变化间的反馈回路及能量集会。当能量集会富足时，可从滚动可逆地转念为逾越。此外，LCE的光反馈特点提供了私有的门控功令，蚁合热驱动自主教唆，通过及时光功令可终了多种复杂教唆功能，如围绕收敛物挪动、师法虫豸趋热行动等。关系词，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，驱动受传热截至，光控教唆形式需手动切换。将来的商榷场所可聚焦于缩小驱动温度，举例通过诊治LCE的来终了，同期普及传热效力以加速教唆速率。此外，可增强反式-顺式异构化能源学的滞后性，使光中断的教唆能捏续更万古辰，从而进一步扩展机器东谈主的多功能性，为将来软机器东谈主计算提供更有眩惑力的贬责决议。

七、一谈来作念作念题吧

1、软机器东谈主的计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 在热板上教唆时，以下哪个成分不会影响其教唆速率？

A. 样品宽度

B. 样品长度

C. 热板温度

D. 实验室湿度

4、LCE 终了逾越教唆的要津在于什么？

A. 加多光强

B. 颐养与热板间的粘附力

C. 篡改样品风景

D. 普及热板温度

5、LCE 的光控教唆主要源于什么？

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 X26uuu新地址， et al. Multimodal Autonomous Locomotion of Liquid Crystal Elastomer Soft Robot. Adv Sci (Weinh). 2024 Jun;11(23):e2402358.