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清華大學(xué)危巖教授、吉巖副教授團(tuán)隊《Sci. Adv.》：具有可重編程伸縮衍生運(yùn)動的磁響應(yīng)液晶彈性體軟體驅(qū)動器
2022-06-25  來源：高分子科技

  磁響應(yīng)軟體驅(qū)動器具有可非接觸調(diào)控、響應(yīng)快速等優(yōu)點(diǎn)，在生物醫(yī)學(xué)設(shè)備、軟體機(jī)器人和航空航天等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。由于磁場穿透力極強(qiáng)，磁控驅(qū)動器能夠在密閉或受限空間（例如，人體和密封裝置）中應(yīng)用，這也是磁響應(yīng)驅(qū)動器與其他刺激響應(yīng)系統(tǒng)（例如熱刺激、光刺激等）相比最顯著的優(yōu)勢之一。其中，具有可重編程功能的磁控軟體驅(qū)動器，因其能夠在不斷變化的條件下進(jìn)行工作或執(zhí)行多重任務(wù)，而受到特別的關(guān)注。對于可重編程的磁控軟體驅(qū)動器，目前有兩個重要問題亟待解決：（1）形變（運(yùn)動）模式局限（僅有可逆彎曲和扭轉(zhuǎn)這一類基本運(yùn)動模式），（2）難以實現(xiàn)局部和序列磁控。


圖1. 設(shè)計制備具有可重編程伸縮運(yùn)動且局部可控的多功能磁響應(yīng)軟體驅(qū)動器


  針對以上挑戰(zhàn)，清華大學(xué)化學(xué)系危巖教授、吉巖副教授團(tuán)隊報道了一系列具有可重編程伸縮衍生運(yùn)動的磁響應(yīng)液晶彈性體（liquid crystalline elastomers， LCEs）軟體驅(qū)動器，并且實現(xiàn)了磁場對驅(qū)動器的局部和序列控制（圖1）。驅(qū)動器的制備是通過在LCEs中充分挖掘磁熱效應(yīng)和共價可適性網(wǎng)絡(luò) (Covalent adaptable network, CAN)的優(yōu)勢來實現(xiàn)的。LCEs材料基體選用具有動態(tài)氨基甲酸酯鍵的聚氨酯基LCE，通過摻雜Fe3O4納米粒子引入磁熱響應(yīng)性（Magnetic PULCE, M-PULCE）。利用CAN基LCE的取向特性，構(gòu)建了各種過去難以實現(xiàn)的磁響應(yīng)運(yùn)動模式，包括大尺寸形變的可逆伸縮運(yùn)動（~80%）、雙軸伸縮、復(fù)合運(yùn)動（螺旋同時伸長）、動態(tài)三維圖案和凸起驅(qū)動等，且由于動態(tài)共價鍵的存在，這些運(yùn)動模式可反復(fù)按需更改（圖2和圖3）。 


圖2 M-PULCE驅(qū)動器的設(shè)計與制備


 圖3 多種磁控運(yùn)動模式


  作者通過將具有不同磁響應(yīng)“閾值”的材料進(jìn)行組裝的策略，高效實現(xiàn)了軟體驅(qū)動器的局部和序列磁控。由于不同磁顆粒含量的M-PULCE對磁場強(qiáng)度顯示出不同的響應(yīng)性（磁性納米粒子含量越高，響應(yīng)磁場的強(qiáng)度越小），利用動態(tài)共價鍵將取向后的不同M-PULCE材料進(jìn)行無縫焊接，可以通過簡單地調(diào)控磁場的強(qiáng)度（類似于寫入“邏輯開關(guān)”序列）來輸出無窮無盡的局部/整體運(yùn)動（圖4）。 


圖4 組裝后M-PULCE的局部和序列磁控運(yùn)動


  不僅如此，以上策略還賦予了該磁響應(yīng)液晶彈性體軟體驅(qū)動器多種卓越的特性，包括磁場輔助的異質(zhì)多材料結(jié)構(gòu)制備（圖5）、逐步可控性、多重響應(yīng)性（可通過磁、光和熱實現(xiàn)編程和驅(qū)動）、自修復(fù)和可重塑性，充分滿足了開發(fā)新一代軟磁驅(qū)動執(zhí)行器的要求。研究者可以利用這些優(yōu)勢屬性，根據(jù)需求從這一全能“工具箱”中任意挑選合適的功能進(jìn)行應(yīng)用和進(jìn)一步深入探索。 



圖5 磁場輔助“焊接”實現(xiàn)異質(zhì)多材料三維動態(tài)結(jié)構(gòu)制備


  該文章以“Locally controllable magnetic soft actuators with reprogrammable contraction-derived motions”為題發(fā)表在Science Advances上。清華大學(xué)化學(xué)系博士生仵雅禾和張帥為論文的共同第一作者。通訊作者為清華大學(xué)化學(xué)系危巖教授和吉巖副教授。


  原文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abo6021

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