液晶弹性体（LCE）在外界刺激作用下可发生大幅度可逆形变，是人工肌肉的理想材料。目前，多刺激响应LCE是分别对每种刺激单独作出响应，而不是对多种刺激同时响应。从多种刺激中获得增强效应仍然是一个挑战，这需要一种新的刺激-响应机制。
为此，清华大学化学系杨忠强课题组开发了一种新型、简便的溶剂蒸发辅助模板法成功制备出轴向取向的LCE空心纤维（LCEHF）。LCEHF除了具有LCE本征的热响应，还因其空腔结构而具有气动响应。该团队提出对LCEHF进行热和气双重刺激，结合热致相变和力致液晶基元转动的响应机制，提高LCEHF的驱动性能。
图1 LCEHF的制备和表征
图2 LCEHF的热和气压响应性能表征
图3 LCEHF的热-气双响应性能表征
LCEHF在热刺激作用下，产生约42%的轴向收缩。在气压刺激下，LCEHF的最大收缩率约为27%。在热和气双重刺激下，LCEHF产生约50%的轴向收缩，大于任一单一热刺激和气压刺激。这主要归因于热致相变和力致液晶基元转动的增强效应。
图4 LCEHF作为人工肌肉驱动肘关节弯曲运动
在热和气压的双重刺激下，LCEHF可以模拟人体肱二头肌驱动人工手臂弯曲。与单一气动驱动相比，热-气双响应LCEHF的响应速度和回复速度分别提高了300倍和3700倍。与单一热驱动相比，双热气动响应式LCEHF使驱动温度降低了40 °C（文献报道通常比Tni高20 °C），使其在驱动状态下保持较高的机械性能。这一工作为LCE提供了新的驱动机制，提高了LCE的驱动性能，扩展了其应用领域。
以上研究成果以《Liquid Crystal Elastomer Hollow Fibers as Artificial Muscles with Large and Rapid Actuation Enabled by Thermal-Pneumatic Enhanced Effect》为题，发表在Advanced Functional Materials上。清华大学化学系博士生马佳哲为第一作者，化学系王云鹏博士和孙家豪博士参与了该工作，杨忠强副教授为通讯作者。以上工作得到清华大学笃实基金的资助。
原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202402403
