人工肌肉是一种模仿肌肉的驱动器，在受到外部刺激（温度，气压，电压，溶剂等）时能产生可回复的收缩，弯曲，旋转等变形模态，广泛的应用于机器人，医疗，救援等等各种领域。然而，缺乏一种简易便捷的制备方式能够大批量制备人工肌肉，并且现存的人工肌肉的性能与真实的人类肌肉的性能有较大的差距，如何解决这些难题成为了研究人员关注的课题。
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近期，受到人类肌肉纤维束的启发，来自加州大学圣地亚哥分校（UCSD）的Shengqiang Cai教授领导的研究小组在Science Robotics期刊上发表了名为“Electrospun liquid crystal elastomer microfiber actuator”的研究文章。研究团队基于静电纺丝的技术，在较短时间内大批量的制备了基于液晶弹性体的微米纤维驱动器，这种基于液晶弹性体的微米纤维驱动器展示出了可回复的，较大的驱动应力应变，较快的响应速度以及较高的功率密度，此驱动器的驱动的性能与人类的肌肉相当。
静电纺丝制备液晶弹性体微米纤维驱动器
图a为静电纺丝制备微米纤维驱动器以及微米纤维的形貌
研究团队利用静电纺丝的技术来制备液晶弹性体。在静电纺丝的过程中，液晶弹性体的前驱体放置于针筒中，当外部施加高电压时，微米纤维能够被针管射出，收集在网状的金属网格上。这些纤维的直径在10微米到100微米之间（图a）。
液晶弹性体微米纤维驱动器的驱动性能
当驱动器受热时，液晶弹性体会发生相变，从液晶相变为各向同性从而沿长度方向收缩，从而拉起低端的重物（图b）。研究表明，液晶弹性体微米纤维的驱动应力，应变，响应速度，能量密度以及功率密度与人类肌肉相似。值得一提的是，由于微米纤维的缺陷较少，它更为持久耐用，驱动应变在历经100万加载-卸载循环之后没有明显的衰退。
图b为静电纺丝制备微米纤维驱动器的驱动原理
红外光驱动性能
为了对液晶弹性体微米纤维驱动器进行更好的控制，研究团队利用红外光对于微米纤维进行加热，其驱动频率可以在1赫兹到20赫兹的范围内进行调节。在1.3赫兹的驱动频率下，驱动应变达20%，在16.7赫兹的频率下，驱动器还能够产生10%的驱动应变（图c, 视频1）。对于微米纤维驱动器而言，由于其尺寸小，因此对外输出的驱动力较小。为了增大对外输出的驱动力，研究团队受到肌肉纤维束的启发，将多根微米纤维并联排列，增大驱动力的同时保持了较快的响应速度（图d, 视频2）。
图c为静电纺丝制备微米纤维驱动器在不同频率红外光下的响应
图d为多跟静电纺丝制备微米纤维驱动器并联以放大驱动力
视频1
视频2
液晶弹性体微米纤维驱动器的潜在应用
为了更好的展示液晶弹性体微米纤维驱动器的潜在应用，研究人员将驱动器安置于多种微型器件上如微型镊子，机器人以及流体泵上以实现不同的功能（图f，视频3-5）。良好的驱动性能，简易的驱动方式使得微米纤维驱动器适用于各种应用场景。
图f为静电纺丝制备微米纤维驱动器的潜在应用
视频3
视频4
视频5
该研究的意义在于，通过简易的方式，大批量制备性能良好的微型驱动器，驱动器能够被简易便捷的控制并适用于多种微型器件的应用场景。
参考文献：
He, Q., Wang, Z., Wang, Y., Wang, Z., Li, C., Annapooranan, R., Zeng, J., Chen, R., Cai, S. Electrospun Liquid Crystal Elastomer Microfiber Actuator. Science Robotics, 6: eabi9704, 2021.
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