清華大學(xué)楊忠強課題組：首次提出基于針織技術(shù)增材制造LCE驅(qū)動器

來源：高分子科技

柔性驅(qū)動器具有柔性和適應(yīng)性，相較于傳統(tǒng)的剛性驅(qū)動器能夠更好地與脆弱物體或生物體進行安全交互，適應(yīng)復(fù)雜的動態(tài)環(huán)境。在眾多用于構(gòu)筑柔性驅(qū)動器的智能材料中，液晶彈性體（LCE）因其能夠在外部刺激下發(fā)生取向變化，產(chǎn)生大幅度可逆形變而引人關(guān)注。LCE獨特的形變能力取決于液晶基元的特定取向。近年來發(fā)展的增材制造技術(shù)對LCE驅(qū)動器的形變能力和幾何形狀提供了高度的控制。然而，目前應(yīng)用的增材制造方法通常引入化學(xué)交聯(lián)來固定化學(xué)網(wǎng)絡(luò)，一旦成型難以二次加工和回收利用。如何制備具有特定三維形變能力且可完全回收的LCE驅(qū)動器仍具挑戰(zhàn)。

為此，清華大學(xué)化學(xué)系楊忠強課題組首次提出了基于針織技術(shù)增材制造LCE驅(qū)動器的策略。

圖1. （a）針織結(jié)構(gòu)LCE驅(qū)動器的制備、拆解、再針織過程；（b）正針及（c）反針LCE針織環(huán)的結(jié)構(gòu)及內(nèi)部扭矩（藍色箭頭）示意圖。

該課題組首先利用前期工作中開發(fā)的熔融紡絲技術(shù)連續(xù)制備了沿纖維長軸取向的LCE纖維，隨后通過商用針織機加工成含有不同針織組織的LCE織物。此外，由于針織結(jié)構(gòu)由單根連續(xù)纖維通過物理纏結(jié)組成，LCE驅(qū)動器可以被拆解，并重新針織成其他結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)反復(fù)加工和回收利用。

針織結(jié)構(gòu)LCE驅(qū)動器基本的結(jié)構(gòu)單元是兩種針織環(huán)：正針（knit loop）和反針（purl loop）。在形成針織環(huán)后，LCE纖維發(fā)生三維形變，導(dǎo)致針織環(huán)結(jié)構(gòu)中存在內(nèi)部扭矩。這兩種針織環(huán)可以進一步組合為具有不同結(jié)構(gòu)的針織組織，并調(diào)控織物結(jié)構(gòu)中的扭矩。

圖2. 平針及羅紋組織LCE驅(qū)動器的結(jié)構(gòu)

對于由單一種類的針織環(huán)組成的平針組織LCE驅(qū)動器，多個針織環(huán)的扭矩相互疊加，導(dǎo)致該驅(qū)動器在室溫下發(fā)生馬鞍形的雙向彎曲。在熱刺激下，LCE纖維收縮，導(dǎo)致扭矩增大，LCE驅(qū)動器在兩個方向上進一步彎曲。

對于由正針與反針交替組成的羅紋組織LCE驅(qū)動器，相鄰針織環(huán)的扭矩因方向相反而相互抵消，導(dǎo)致羅紋組織LCE驅(qū)動器在室溫下為平面形，不發(fā)生面外彎曲。在熱刺激下，羅紋組織的LCE驅(qū)動器會因LCE纖維的收縮而發(fā)生面內(nèi)收縮。

圖3. 通過針織組織的模塊組合構(gòu)筑具有定量可控形變模式的LCE驅(qū)動器。

利用平針組織提供面外彎曲形變所需的扭矩，并通過羅紋組織對特定方向上的彎曲進行分隔并限制，可以控制LCE驅(qū)動器產(chǎn)生特定方向的彎曲。例如，沿經(jīng)線方向依次排布羅紋-平針-羅紋組織，可以使LCE驅(qū)動器在室溫下沿經(jīng)線方向向前彎曲（α0）。而如果在緯線方向依次排布羅紋-平針-羅紋組織，則可以誘導(dǎo)針織結(jié)構(gòu)LCE驅(qū)動器沿緯線方向向后彎曲（α0）。這兩種形變均可在熱刺激下發(fā)生進一步彎曲（α）。通過合理設(shè)計兩種針織組織的位置和尺寸，可以精確控制LCE驅(qū)動器彎曲位置、方向和角度。

圖4. （A-D）模塊化構(gòu)筑具有復(fù)雜形變模式的LCE驅(qū)動器。（E-G）通過多種織物加工技術(shù)實現(xiàn)LCE驅(qū)動器結(jié)構(gòu)與功能的拓展。

進一步，將兩種針織組織沿著更復(fù)雜的路徑進行組合，則可以賦予LCE驅(qū)動器更豐富的形變能力。例如，將多個斜向排列的平針組織平行分布在羅紋組織中，所制備的LCE驅(qū)動器可以在熱刺激下發(fā)生螺旋形扭曲。而將多個不同方向排列的平針組織以特定路徑排布在羅紋組織中，所制備的LCE驅(qū)動器可以在熱刺激下以平針組織作為折痕發(fā)生折紙形變。理論上，通過對驅(qū)動器針織結(jié)構(gòu)的理性設(shè)計，可以對螺旋形變的彎曲角度、手性、螺距，折疊的方向和程度等參數(shù)進行定量控制。

最后，通過其他針織技法及織物加工技術(shù)，還可以對針織結(jié)構(gòu)LCE驅(qū)動器的結(jié)構(gòu)與功能進行進一步的調(diào)控。例如，通過加減針可以制備梭形結(jié)構(gòu)的LCE花瓣。通過穿入電熱絲可以賦予LCE花瓣電熱形變性能。將四片LCE花瓣縫合，可以獲得一朵具有更復(fù)雜結(jié)構(gòu)與形變能力的LCE花。在不同的電刺激控制下，多片LCE花瓣可以同時驅(qū)動或單獨驅(qū)動，導(dǎo)致LCE花產(chǎn)生不同模式的開合。

相較于其他LCE取向成型技術(shù)，針織技術(shù)有著成熟的工業(yè)應(yīng)用歷史。因此，如能進一步匹配工業(yè)針織技術(shù)的相關(guān)參數(shù)和需求，有望批量制備具有特定幾何形狀和可控形變能力的LCE驅(qū)動器。此外，針織結(jié)構(gòu)LCE驅(qū)動器的多孔結(jié)構(gòu)和軟彈性可以提供更舒適的人機交互體驗。通過與其他功能纖維和智能織物結(jié)合，針織結(jié)構(gòu)LCE驅(qū)動器有望作為一個可形變的、具有高集成度的可穿戴平臺，應(yīng)用于運動輔助、人機交互等領(lǐng)域。

相關(guān)成果“Additive manufacturing of liquid crystal elastomer actuators based on knitting technology”發(fā)表于Advanced Materials（DOI: 10.1002/adma.202302706）。清華大學(xué)為第一完成單位，第一作者是清華大學(xué)化學(xué)系2020級博士生孫家豪，論文通訊作者是楊忠強副教授。以上工作得到國家自然科學(xué)基金和清華大學(xué)篤實基金的資助。



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參考文獻

https://doi.org/10.1002/adma.202302706