大自然一直是人类模仿各种生物体的生物柔软度、身体顺应性和重要功能的灵感来源。最近，基于响应性软材料设计的仿生软体机器人引起了研究人员越来越多的关注。相比于传统的刚性机器人，软体机器人具有结构可变形性、人机交互友好性、驱动自由度高、环境顺应性和适应性强等独特优势。先前基于软材料如水凝胶、液晶网络（LCN）和形状记忆聚合物（SMP）的研究表明，LCN由于具有各向异性、可逆和可编程的形状变形特性，被认为是制备刺激驱动软执行器优异的候选者之一。然而，基于LCN的软体机器人系统通常受限于其固有的导热或导电性不足以及与功能纳米材料的机械不相容性。此外，由于镓基液态金属(LMs)具有卓越的流动性、高导热和导电性等特性也被用于开发软体机器人，但其变形和自适应运动大多由电场或化学刺激驱动且经常在酸性水溶液环境中防止表面氧化，这极大地限制了它们的功能和潜在的应用场景。因此，迫切需要提出一种软物质工程策略来有效地结合液态金属和功能聚合物或纳米材料并保持其优异的内在特性。
鉴于此，天津大学封伟教授、王玲教授团队和美国肯特州立大学李全院士合作提出了一种将导电液态金属（LM）和形状变形液晶网络（LCN）集成到多功能和可编程软机器人的普适性策略。该形状可编程的LM-LCN执行器不仅结合了LCN的可逆形状变形特性和LM的优异导热/导电性，而且还实现了电热驱动和近红外光（NIR）驱动。为了验证软体机器人的功能，研究人员开发了近红外光（NIR）驱动的自持续软体振荡器和软体爬行器，并巧妙地将可编程软机器人与传统皮影艺术相结合，展示了基于光驱动软体致动器的警察指挥交通、嫦娥奔月和诗人仰望灯塔等皮影戏场景。这项工作提出的策略有望为先进多功能软物质材料的研究开辟了一个新的技术领域。相关工作以题为“Stimulus-Driven Liquid Metal and Liquid Crystal Network Actuators for Programmable Soft Robotics”的论文发表在国际权威材料期刊《Materials Horizons》上。
LM-LCN致动器在直流电压或NIR光照射下的可逆形状变形
研究者通过生物培养技术设计合成了生物质纳米细菌纤维素，随后，在生物纳米纤维素的水悬浮液中对共晶镓铟（EGaIn）LM和微型羧化金纳米棒（MiniGNR-COOH）进行超声处理，巧妙地设计和制造了一种独特的胶体LM墨水。MiniGNR-COOH的引入不仅能够稳定LM纳米粒子，还可以大大增强胶体LM油墨的光热性能。通过将胶体LM悬浮液涂覆到LCN薄膜上来制造形状可变形的LM-LCN致动器（LCN厚度为~23 μm，LM涂层厚度约为0.3 μm）。LM-LCN致动器在施加直流电场或近红外光照射时表现出可逆的形状变形（如图1），这是由于电热和光热诱导的液晶有序性降低和由此产生的薄膜平面取向侧收缩和垂直取向侧膨胀。LM-LCN致动器在施加低直流电压后可以控制其弯曲角度，在1.5 V下3.0秒内弯曲角度可达34°，并在撤去电压2 s内恢复到原始形状。LM-LCN致动器的光响应动力学与LCN薄膜的厚度、胶体LM涂层的厚度和近红外辐射的功率密度等几个因素密切相关。LM-LCN致动器在NIR光照射（808 nm，0.3 W cm-2）下，在2.5秒内可达到118°的弯曲角度，而且这种形状变形具有优异的循环性。
图1 LM-LCN致动器在施加直流电压或NIR光照射后的可逆形状变形
NIR光驱动形状可编程LM-LCN执行器
LM-LCN致动器在NIR驱动下的形状变形和时间编程功能归因于嵌入式MiniGNR-COOH的卓越光热转换效率和胶体LM墨水的选择性涂层特性。通过将胶体LM墨水涂覆到倾斜排列的LCN薄膜平面侧的选定区域上可实现LM-LCN制动器的可编程变形能力（如图2）。纳米结构胶体LM涂层仅沉积在LCN膜的一侧、中间部位和两端时，在NIR光照射下能够分别获得可逆的S形、M形和W形驱动。研究人员在自然界中的振荡现象如蜻蜓的翅膀中汲取灵感后，通过将胶体LM涂层沉积在LCN薄膜的一侧，基于光热和光弯曲变形导致的自阴影机制开发了频率约为8.0 Hz的NIR光燃料LM-LCN自持软振荡器。研究人员进一步仿生自然界中尺蠖爬行，在光照打开/关闭的循环中，展示了一种受光驱动软机器人爬行器，该爬行器由中心图案LM-LCN在棘轮基板上易位制成。在NIR照射下，LM-LCN致动器前移是因为LCN表面向下弯曲时前后边缘不同的摩擦力（F1>F2）。关闭NIR后，LCN条带弹性恢复，前缘承受较大摩擦力（F4>F3）使履带后部向前移动。此外，研究发现LM-LCN致动器的爬行速度与红外光照射强度紧密相关，当808 nm红外光的照射强为0.1、0.2 和 0.3 W cm-2时，LM-LCN致动器爬行的平均速度分别为 1.17、1.51 和 1.75 mm s-1。
图2 NIR光驱动形状可编程LM-LCN软执行器
研究人员还通过组装形状记忆行为的LM-SMP与导电形状可变形的LM-LCN致动器集成了光控可编程机器人皮影戏，所有的运动都投射到观众观察的屏幕上（如图3）。其中指挥交通的警察由形状可逆LM-LCN（手）和形状不可逆LM-SMP（身体）致动器制成，开始时警察和汽车阴影在水平状态对屏幕均不可见，NIR光照射时，LM-SMP铰链的光热诱导不可逆变形导致屏幕上先后出现汽车和警察的影子。警察的一只手以LM-LCN执行器作为肘关节，可以通过循环NIR光照射表现出可逆的挥手手势。第二个机器人皮影戏的灵感来自中国传说中嫦娥奔月的传说，展示了一只玉兔走向美人的场景。在NIR辐射下，美人脚上的LM-SMP铰链的光热诱导不可逆变形导致了她的出现。光驱动的玉兔走向美女是由LM-LCN执行器在循环近红外辐射下在棘轮天梯上移位触发的。最后一个皮影戏基于LM-LCN和LM-SMP软致动器以及胶体LM涂层的导电性，展示了一个诗人仰望闪亮灯塔的场景。人影的出现同样基于LM-SMP铰链的近红外辐射，灯塔顶部的红色LED则基于NIR光驱动的导电LM-LCN薄膜的弯曲变形可逆地切换，使电路连通或断开。
图3 结合LM-LCN和LM-SMP的可编程软机器人在NIR光下的皮影展示
总结
研究者基于LCN的可逆形状变形特性和LM的优异导电性开发了一种可电热和光热驱动的形状可编程的LM-LCN软致动器。通过选择性地将胶体LM墨水涂覆到具有展曲分子取向的LCN薄膜上，开发了具有多种形状的NIR光驱动形状可编程LM-LCN软执行器。此外，研究人员还通过结合LM-LCN和LM-SMP，将可编程软机器人应用于传统的皮影艺术，展示了基于光驱动软体致动器的警察指挥交通、嫦娥奔月和诗人仰望灯塔等皮影戏场景。这项工作展示了一种更为通用的策略，可以有效地整合LM的导电性和LCN或功能聚合物的形状变形特性并保持其优异的内在特性，为开发具有仿生智能、集成多功能柔性电子设备、人机交互以及其他先进生物医学技术的无绳软机器人或机器提供新的动力。
全文链接：
https://doi.org/10.1039/D1MH00623A
原文刊载于【高分子科学前沿】公众号
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