清华大学杨忠强课题组：首次提出基于针织技术增材制造LCE驱动器

来源：高分子科技

柔性驱动器具有柔性和适应性，相较于传统的刚性驱动器能够更好地与脆弱物体或生物体进行安全交互，适应复杂的动态环境。在众多用于构筑柔性驱动器的智能材料中，液晶弹性体（LCE）因其能够在外部刺激下发生取向变化，产生大幅度可逆形变而引人关注。LCE独特的形变能力取决于液晶基元的特定取向。近年来发展的增材制造技术对LCE驱动器的形变能力和几何形状提供了高度的控制。然而，目前应用的增材制造方法通常引入化学交联来固定化学网络，一旦成型难以二次加工和回收利用。如何制备具有特定三维形变能力且可完全回收的LCE驱动器仍具挑战。

为此，清华大学化学系杨忠强课题组首次提出了基于针织技术增材制造LCE驱动器的策略。

图1. （a）针织结构LCE驱动器的制备、拆解、再针织过程；（b）正针及（c）反针LCE针织环的结构及内部扭矩（蓝色箭头）示意图。

该课题组首先利用前期工作中开发的熔融纺丝技术连续制备了沿纤维长轴取向的LCE纤维，随后通过商用针织机加工成含有不同针织组织的LCE织物。此外，由于针织结构由单根连续纤维通过物理缠结组成，LCE驱动器可以被拆解，并重新针织成其他结构，实现反复加工和回收利用。

针织结构LCE驱动器基本的结构单元是两种针织环：正针（knit loop）和反针（purl loop）。在形成针织环后，LCE纤维发生三维形变，导致针织环结构中存在内部扭矩。这两种针织环可以进一步组合为具有不同结构的针织组织，并调控织物结构中的扭矩。

图2. 平针及罗纹组织LCE驱动器的结构

对于由单一种类的针织环组成的平针组织LCE驱动器，多个针织环的扭矩相互叠加，导致该驱动器在室温下发生马鞍形的双向弯曲。在热刺激下，LCE纤维收缩，导致扭矩增大，LCE驱动器在两个方向上进一步弯曲。

对于由正针与反针交替组成的罗纹组织LCE驱动器，相邻针织环的扭矩因方向相反而相互抵消，导致罗纹组织LCE驱动器在室温下为平面形，不发生面外弯曲。在热刺激下，罗纹组织的LCE驱动器会因LCE纤维的收缩而发生面内收缩。

图3. 通过针织组织的模块组合构筑具有定量可控形变模式的LCE驱动器。

利用平针组织提供面外弯曲形变所需的扭矩，并通过罗纹组织对特定方向上的弯曲进行分隔并限制，可以控制LCE驱动器产生特定方向的弯曲。例如，沿经线方向依次排布罗纹-平针-罗纹组织，可以使LCE驱动器在室温下沿经线方向向前弯曲（α0）。而如果在纬线方向依次排布罗纹-平针-罗纹组织，则可以诱导针织结构LCE驱动器沿纬线方向向后弯曲（α0）。这两种形变均可在热刺激下发生进一步弯曲（α）。通过合理设计两种针织组织的位置和尺寸，可以精确控制LCE驱动器弯曲位置、方向和角度。

图4. （A-D）模块化构筑具有复杂形变模式的LCE驱动器。（E-G）通过多种织物加工技术实现LCE驱动器结构与功能的拓展。

进一步，将两种针织组织沿着更复杂的路径进行组合，则可以赋予LCE驱动器更丰富的形变能力。例如，将多个斜向排列的平针组织平行分布在罗纹组织中，所制备的LCE驱动器可以在热刺激下发生螺旋形扭曲。而将多个不同方向排列的平针组织以特定路径排布在罗纹组织中，所制备的LCE驱动器可以在热刺激下以平针组织作为折痕发生折纸形变。理论上，通过对驱动器针织结构的理性设计，可以对螺旋形变的弯曲角度、手性、螺距，折叠的方向和程度等参数进行定量控制。

最后，通过其他针织技法及织物加工技术，还可以对针织结构LCE驱动器的结构与功能进行进一步的调控。例如，通过加减针可以制备梭形结构的LCE花瓣。通过穿入电热丝可以赋予LCE花瓣电热形变性能。将四片LCE花瓣缝合，可以获得一朵具有更复杂结构与形变能力的LCE花。在不同的电刺激控制下，多片LCE花瓣可以同时驱动或单独驱动，导致LCE花产生不同模式的开合。

相较于其他LCE取向成型技术，针织技术有着成熟的工业应用历史。因此，如能进一步匹配工业针织技术的相关参数和需求，有望批量制备具有特定几何形状和可控形变能力的LCE驱动器。此外，针织结构LCE驱动器的多孔结构和软弹性可以提供更舒适的人机交互体验。通过与其他功能纤维和智能织物结合，针织结构LCE驱动器有望作为一个可形变的、具有高集成度的可穿戴平台，应用于运动辅助、人机交互等领域。

相关成果“Additive manufacturing of liquid crystal elastomer actuators based on knitting technology”发表于Advanced Materials（DOI: 10.1002/adma.202302706）。清华大学为第一完成单位，第一作者是清华大学化学系2020级博士生孙家豪，论文通讯作者是杨忠强副教授。以上工作得到国家自然科学基金和清华大学笃实基金的资助。



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参考文献

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