上海交大林秋宁/刘湍AM：高缠结液晶弹性体执行器，突破软体驱动应用瓶颈

摘要：近日，上海交通大学林秋宁研究员、刘湍副研究员课题组通过构建密集缠结结构，成功实现了LCE执行器的超高功容量与良好加工性能的统一，为软体执行器在康复设备、可穿戴装置等领域的实际应用提供了新路径。相关论文以“Enabling Ultra-High Work Cap

近日，上海交通大学林秋宁研究员、刘湍副研究员课题组通过构建密集缠结结构，成功实现了LCE执行器的超高功容量与良好加工性能的统一，为软体执行器在康复设备、可穿戴装置等领域的实际应用提供了新路径。相关论文以“Enabling Ultra-High Work Capacity and Scalable Processability of Liquid Crystal Actuators through Densely Entangled Structures”为题，发表在Advanced Materials；上，论文第一作者为Li Caicai。

该研究团队采用一步熔融聚合策略，合成出高分子量（>180 kDa）的线性液晶聚氨酯弹性体，通过引入适度甲基侧基抑制结晶，形成稳定的缠结结构。所得材料在保持良好韧性的同时，机械强度显著提升，实现了高达1427 kJ m⁻³的驱动功容量。此外，材料可通过熔体剪切或溶剂处理实现类似热塑性的再加工性，成功制备出重量不足10克、却能输出超过30 N收缩力的可穿戴装置，能够反复抬起成人手臂。

研究团队首先通过一步无溶剂无催化剂的熔融聚合反应合成了线性LCE材料（图1a）。通过调节两种二异氰酸酯单体的比例（RHDI/MHDI），有效抑制了聚合物链的结晶，确保了材料的柔性（图1b）。DSC和¹H NMR结果表明，当RHDI/MHDI为0.5/0.5时，结晶熔融峰消失，材料呈现非晶态（图1c–d）。随着聚合时间延长，分子量显著提高，8小时聚合得到的LLCE-0.5-1的Mw达到185 kDa（图1e）。流变和DMA测试表明，高缠结度的LLCE-0.5-1在70–200°C范围内具有宽橡胶平台，显示出由缠结主导的稳定网络（图1f–g）。

图1. 材料设计与合成。 a) 通过一步熔融聚合策略合成具有密集缠结结构的高分子量线性聚合物。引入甲基侧基以抑制聚合物链结晶，确保材料柔性；氢键作为辅助手段稳定缠结。 b) 通过熔体剪切或溶剂处理实现聚合物缠结与解缠结的可逆转换。 c) 聚合物缠结显著增强结构完整性并保持柔性，从而实现热驱动下的超高功容量。 d) 材料可通过常见热塑性加工技术（如焊接、热压、开炼混合和熔融纺丝）进行加工。

力学性能测试表明，高缠结样品LLCE-0.5-1的断裂应力达20.6 MPa，真实应力高达219.6 MPa，远优于低分子量样品（图2h）。缺口拉伸试验中，其断裂能保持在48–49 MJ m⁻³，显示出优异的抗裂纹扩展能力（图2i–l）。循环拉伸和应力松弛实验进一步证实其在高负载和高温下仍能保持结构完整性和抗疲劳性能（图2m–n）。

图2. 合成与力学性能。 a) LLCE-0.5-1的聚合示意图，该过程无需溶剂与催化剂。 b) 不同RHDI/MHDI比例的LCE的DSC第一次加热扫描曲线。 c) 不同RHDI/MHDI比例LCE的¹H NMR谱图。 d) 温度扫描DMA测试得到的储能模量G′曲线。 e) 130°C下不同聚合时间所得LCE的数均分子量（Mn）、重均分子量（Mw）和峰值分子量（Mp）。 f) 不同温度下的频率扫描流变曲线。 g) 温度扫描DMA测试得到的G′曲线。 h) 应力-应变曲线，插图为不同拉伸比（0%和600%）下聚合物薄膜的广角X射线散射（WAXS）图。 i) 缺口与无缺口样品的应力-应变曲线。 j) 缺口与无缺口样品的断裂能。 k) 缺口样品在4 mm min⁻¹拉伸速率下的拉伸过程照片。 l) 聚合物链缠结抑制裂纹扩展的示意图。 m) 拉伸取向后的LLCE-0.5-1的循环拉伸曲线。 n) 不同温度下的应力-应变曲线。

在驱动性能方面，拉伸取向后的LLCE-0.5-1薄膜在热循环（25↔120°C）中可逆抬升130g重物，超过其自身重量的6000倍（图3a–b）。其功容量随负载增加而上升，在3.6 MPa负载下达到1472 kJ m⁻³，远超人体骨骼肌（图3c–e）。此外，通过调控温度可实现驱动应变的精确控制，归因于氢键随温度动态演变的机制（图3d, g–h）。与已有可加工LCE相比，该材料在功容量和可控性方面均表现出显著优势（图3f）。

图3. 可逆热驱动。 a) 通过DMA测得的阻塞应力随温度变化曲线。 b) LLCE-0.5-1和LLCE-0.5-2在3.6 MPa和0.11 MPa负载下的可逆驱动行为。 c) 不同负载下的功容量。 d) 随温度变化的FTIR光谱，显示氢键随温度升高逐渐解离。 e) 本执行器与人体骨骼肌的性能对比。 f) 本执行器与已报道可加工LCE的功容量对比。 g) LLCE-0.5-1在不同温度下的可控驱动应变。 h) 驱动应变随温度变化的关系曲线及拟合函数。

研究还展示了材料在无负载条件下的驱动能力与形状可编程性。预拉伸后的薄膜在热循环中表现出可逆驱动，应变随拉伸比增加而提高（图4a）。高缠结与氢键协同作用维持了取向稳定性（图4b–d）。通过加热或机械拉伸可实现各向异性（Aniso-shape）与各向同性（Iso-shape）状态的可逆编程，并可构造出具有不同驱动模式的管状执行器（图4e–g）。

图4. 无负载驱动。 a) 驱动应变随拉伸比的变化。 b) 分子量对驱动应变的影响。 c) 不同RHDI/MHDI比例的分子动力学模拟结果。 d) RHDI/MHDI比例对驱动应变的影响。 e) 力学取向与异形重编程示意图及薄膜在热循环中的驱动照片。 f) 异形重编程示意图。 g) 两种管状执行器（收缩/扩张模式和收缩/伸长模式）的可逆驱动照片。

在加工性能方面，LLCE-0.5-1可通过溶剂溶解（如DCM）实现低温焊接，搭接剪切强度达1.82 MPa（图5a–b），并可组装成多指软体夹爪（图5c）。熔体加工方面，材料在190°C、大振幅振荡下出现剪切稀化，可顺利通过挤出纺丝、开炼混炼和热压成型进行加工，纤维和复合薄膜仍保持较高力学性能（图5d–e）。

图5. 类热塑性加工性能。 a) 使用DCM溶剂进行焊接的示意图。 b) 焊接样品的搭接剪切曲线，插图为测试前后样品照片。 c) 软体夹爪的制备示意图（左）及其可逆驱动照片（右）。 d) LLCE-0.5-1的流变曲线，显示在大振幅振荡（20%）下的剪切稀化行为。 e) 通过挤出纺丝（左）、开炼混合（右）和热压（右）加工LLCE-0.5-1的示意图，以及挤出纤维的SEM图像。

最终，研究团队成功开发出一款总重仅8.7克的可穿戴驱动装置（图6c）。该装置由多条预拉伸的LLCE-0.5-1带束组成，通过电阻丝加热实现均匀温控（图6e），能够可逆地抬起成人男性前臂，输出力超过31 N，驱动应变达46.5%（图6a–d, f）。该装置轻量、静音、驱动能力强，优于传统气动执行器。

图6. 用于人体的软驱动装置。 a) 抬起成人前臂所需最小力（31.3 N）示意图。 b) 一束拉伸取向的LLCE-0.5-1带束可逆抬升3 kg重物加0.15 kg夹子的照片。 c) 可穿戴驱动装置的制备流程示意图。 d) 电热驱动下可逆抬起成人前臂的照片。 e) 电加热时装置的均匀热分布红外图像。 f) 抬起前臂的力学分析示意图及计算公式。

总之，该研究通过简单的一步法合成出具有密集缠结结构的LCE材料，成功解决了高功容量与可加工性之间的固有矛盾，为软体执行器在实际应用中提供了新的材料平台。尽管目前仍存在热响应速度有限、运动范围待优化等问题，未来可通过添加导热填料、结构优化等方式进一步改进。该设计有望推动LCE在康复设备、外骨骼和可穿戴机器人等领域的实际应用。