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  液晶彈性體（Liquid Crystal Elastomers, LCEs）作為兼具聚合物網絡彈性和液晶基元各向異性的智能材料，在外界刺激（如溫度、光、電場等）作用下，液晶基元可發生從向列相（有序態）向各向同性相（無序態）的可逆轉變，從而驅動聚合物網絡產生宏觀形變（如收縮、彎曲等）。得益于其高驅動應變、可編程形變能力及可逆響應特性，液晶彈性體在人工肌肉、軟體機器人及柔性驅動器領域展現出重要潛力。

  然而，當前液晶彈性體的熱致形變性能仍存在若干關鍵性限制：驅動溫度閾值普遍超過80℃，遠超人體耐受范圍（<40℃），嚴重制約了其在生物醫學及可穿戴設備領域的應用潛力；動力學性能不足，形變恢復時間通常是驅動時間的3~4倍。這種高驅動能壘與緩慢的恢復動力學特性共同導致了液晶彈性體在低能耗刺激條件下的響應速率受限和循環驅動效率低下。因此，開發兼具低溫驅動特性（工作溫度<40℃）與快速響應能力（恢復時間與驅動時間相當）的新型液晶彈性體，已成為該領域亟待突破的研究重點。

文章亮點：

  近日，江蘇大學徐琳教授、丁建寧教授課題組與北京理工大學陶然副教授、美國科羅拉多大學Franck教授通過跨學科合作，成功開發出具有突破性性能的新型人體體溫驅動超拉伸液晶彈性體。該研究創新性地提出了螺旋編程取向制備技術，通過兩階段巰基-丙烯酸酯邁克爾加成與光聚合反應，研制了預編程應變高達 2500% 的超拉伸液晶彈性體，超越了傳統液晶彈性體的應變極限。特別值得關注的是，在此基礎上制備的超拉伸液晶彈性體LCE-25驅動器展現出優異的低溫驅動特性，極大降低了液晶彈性體驅動器所需的響應溫度，可實現25~33 ℃驅動溫度下16.75°/s的熱形變。

  2025年6月23日，該研究以“Body temperature actuated liquid crystal elastomers from hyper tensile preprogramming”為題發表在國際著名TOP期刊《Advanced Functional Materials》上（IF 18.5）。

圖1. LCE-25的制備。（A-B）RM257液晶單體、硫醇交聯劑、擴鏈劑的化學結構及液晶多疇聚合物；（C）采用傳統單軸拉伸法制備常規預應變的LCE-2；（D）采用螺旋纏繞拉伸法制備超拉伸預應變的LCE-25；（E）單疇態下紫外光固化；（F）液晶彈性體表面靜電紡絲納米銀線網絡示意圖。

  通過X射線散射揭示了 超拉伸液晶彈性體 的微觀結構。WAXS二維散射圖顯示，未經預拉伸的多疇液晶彈性體在不同溫度下均呈現漫散環狀圖案，表明液晶基元取向隨機。而在預應變拉伸后 (LCE-25和 LCE-2)，圖案轉變為明顯的取向弧，清晰表明了應力誘導的液晶基元取向。通過取向度因子S分析其微觀有序化程度，研究發現超拉伸液晶彈性體具有全溫度范圍內增強的液晶基元有序度，且其取向度因子在 20~33 ℃ 溫區間變化顯著，這為低溫（人體體溫）驅動應用提供了關鍵基礎。

  同時，研究系統性地探討了預應變和樣品厚度對驅動特性的影響，發現增加預應變與提升驅動與恢復速度呈高度正相關。該超拉伸液晶彈性體超薄化后仍能保持卓越的力學性能。在 102.5 g 負載條件下，它可實現約 10% 的驅動應變，且驅動與恢復時間均達到秒級，克服了傳統液晶彈性體的動力學遲滯問題。特別引人注目的是，超拉伸液晶彈性體的工作密度高達 1.5 MJ/m3，超越生物骨骼肌工作密度（40–60 kJ/m3）的25 倍，實現了一個數量級提升。

圖2：LCE-25與LCE-2的結構對比。（A）LCE-25經預拉伸至初始長度25倍后的圖像；（B）多疇樣品LCE-p（左）、LCE-2（中）和LCE-25（右）在20 ℃、33 ℃、60 ℃和85 ℃的WAXS二維散射圖；（C）33 ℃時多疇LCE、LCE-2和LCE-25的一維散射曲線；（D）33 ℃時WAXS譜徑向積分隨χ角的變化曲線；（E）LCE-2與LCE-25取向度因子S隨溫度的變化關系。

圖3：LCE-25與LCE-2驅動恢復特性表征。（A）靜止長度為L₀的樣品加載配重后拉伸至L₀+L₁，總驅動位移△L；（B）驅動應變△L/L_α與標稱應力的關系；（C）驅動速度隨標稱應力的變化曲線；（D-E）LCE-25與LCE-2在不同載荷下的熱機械分析；（F）熱機械分析測試中LCE-25與LCE-2的歸一化應變-溫度曲線；（G）采用螺旋纏繞拉伸法制備的不同預應變/厚度樣品分布；（H-I）驅動/恢復速度與預應變及厚度的標度分析。

  得益于改善的液晶基元有序度和超薄的厚度，超拉伸液晶彈性體LCE-25驅動器在彎曲/恢復/升溫/降溫速率及熱變形率上具有較傳統液晶彈性體全面增強的熱應變性能。它在25-33℃的低溫刺激下表現出優異的驅動性能，能夠通過接觸傳導、輻射和對流等人體體溫熱傳遞方式實現快速可逆的形變響應。

圖4：LCE-25的人體溫度驅動。（A）手指接觸使得LCE-25熱傳導加熱產生熱致彎曲形變。（B）手指跟隨使得LCE-25熱輻射加熱產生熱致彎曲形變。（C）人體呼吸使得LCE-25對流加熱產生熱形變。（D-E）三種加熱模式的彎曲角度-時間曲線、溫度-時間曲線及彎曲/加熱速率。

視頻1: 人體體溫刺激（接觸、輻射和對流等加熱模式）下的形變

  進一步，研究開發了光驅動滾輪結構和仿生蜻蜓撲翼系統等，展示了超拉伸液晶彈性體在柔性驅動器和軟體機器人系統中的潛在應用。其中，仿生蜻蜓撲翼系統通過創新的旋轉遮光板設計，在保持紅外激光器持續激發的條件下，實現了光脈沖頻率與占空比的精確調控，從而驅動蜻蜓翅膀的周期性拍打，實現連續的自主撲翼運動。

圖5：LCE-25驅動實驗。（A）近紅外光源、旋轉遮光罩與LCE-25蜻蜓的實驗裝置示意圖。（B）遮光罩旋轉觸發周期性驅動。（C）不同近紅外強度下蜻蜓溫度-時間曲線。（D）兩種頻率下的撲翼角度與溫度同步變化曲線。（E）振蕩運動期間翼面x-z平面軌跡。（F）近紅外驅動旋轉輪示意圖。（G）旋轉輪周期運動的紅外圖像。（H）旋轉輪實驗的位移/溫度隨時間的變化。

  為驗證超拉伸液晶彈性體在低溫環境下的實用性能，研究構建了智能窗系統，窗戶可隨環境溫度變化實現智能的開啟和關閉。未來，可繼續將該材料的環境溫度自適應行為轉化為更復雜的機械形變和控制，探索其在柔性驅動、可穿戴設備等領域的更多潛在應用。

視頻2: 環境（人體）溫度控制開關的智能窗戶

  江蘇大學徐琳教授、北京理工大學陶然副教授和科羅拉多大學Franck教授為該論文的共同通訊作者，研究生朱陳和Samuel為論文的共同一作，江蘇大學機械工程學院為該論文的第一單位。該工作得到了國家自然科學基金面上項目(52275290)、國家自然科學基金“共融機器人基礎理論與關鍵技術研究”重大研究計劃集成項目（92248301）、機械系統與振動國家重點實驗室科研項目（MSV202419）、工程仿生教育部重點實驗室開放基金(KF2023006)等項目的支持。

  論文信息：

  Body temperature actuated liquid crystal elastomers from hyper tensile preprogramming. Lin Xu, Chen Zhu, Samuel C. Lamont, Ran Tao, Yiqi Mao, Zongben Guan, Lizhi Zhang, Jianning Ding, Franck J. Vernerey,   Advanced Functional Materials, 2025, 2424033.

  https://doi.org/10.1002/adfm.202424033

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