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康奈尔大学Robert F. Shepherd教授团队:数字光处理用于自感应人工肌肉液晶弹性体

放大字体  缩小字体 发布日期:2021-07-29   来源:高分子科学前沿  浏览次数:342
基于刺激响应聚合物的人造肌肉通常表现出机械顺应性、多功能性和高功率重量比,显示出有可能取代传统刚性电机用于下一代软机器人、可穿戴电子产品和生物医学设备的巨大前景。特别是,热机械液晶弹性体(LCE)构成的人造肌肉类执行器,可以远程触发大行程、快速响应和高度可重复的驱动。与天然肌肉相比,虽然LCE的速度相对较慢且能量效率低下,但这种依赖于相位和温度的聚合物链构象变化仍会导致肌肉样、大、可逆的宏观形状变形。据报道,具有单轴排列的LCE表现出高达400%的自发长度变化,但它们的整体变形主要限于单自由度(DOF)拉伸行程。此外,肌肉虽然同样限于收缩驱动,但可以以实现几乎无限自由度的方式排列,如章鱼触手的肌肉静水器附件。尽管LCE致动器系统近年来已经取得了巨大进步,但目前还没有包含用于控制的感觉反馈的纯LCE系统。这种缺失可能会限制在机器人中使用LCE的好处,除非可以实现传感的无缝集成。
 
鉴于此,美国康奈尔大学Robert F. Shepherd教授团队引入了两个新概念来解决目前的挑战:(1)在3D打印LCE软执行器中使用数字光处理(DLP);(2)使用机械应变的光电测量,使打印的LCE执行器具有自感知功能。通过内置的剪切分离机制实现了LC介晶元的剪切流诱导对准,并制作了用于可编程弯曲和大拉伸行程的单片LCE驱动器。这些驱动基元在3D打印LCE软执行器的最高工作能力下允许操作和运动模式(握力、爬行和举重)。此外,通过使用适用于机器人、柔性电子和医疗设备的光电子技术还实现LCE执行器的实时反馈。相关工作以“Digital light processing of liquid crystal elastomers for self-sensing artificial muscles”为题发表在国际顶级期刊《Science Advances》上。
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热机械液晶弹性体的制备及数字光处理
 
为了配制LCE液体树脂,研究人员选择了一锅硫醇-丙烯酸酯/硫醇-烯点击反应(图1A)。用于合成热机械LCE的介晶单体分别是RM257和RM82、柔性连接剂为EDDT和三乙烯基交联剂(TATATO)。由于混合物缺乏在室温下连续DLP实验优选的流动特性(T m=41°C),采用二氯甲烷(DCM)和四氢呋喃(THF)辅助来改变其流变行为,挥发性溶剂在印刷后被去除。添加1% (wt%)的光引发剂二苯基(2,4,6-三甲基苯甲酰基)氧化膦(TPO)可实现高效光固化,在紫外线(UV)照射3秒内实现近90%的凝胶化(UV投影仪:λ = 405 nm, I = 11.4 mW cm -2)。通过使用商用桌面DLP 3D打印机Ember制造LCE执行器,主要是因为其内置的剪切分离机制。树脂托盘循环旋转的示意图如图1D所示,最初设置是为了减少打印部件和构建窗口之间的吸力,这种旋转运动被重新编程以实现对LCE中导向器对齐的空间控制。当在每个薄层(20 μm)上滑动时,施加在可光聚合LCE液体树脂上的剪切力使柔性聚合物链主链中的LC介晶对齐。在松弛的时间尺度内,聚合物链通过投射的紫外光聚合和交联,以锁定面内取向顺序,形成低模量主链LCE。这种对准程序类似于在有限空间内制造LCE微致动器的成熟剪切流场方法。除了在没有预交联的情况下实现LCE机械取向的内置剪切对齐之外,用于选择性光聚合的紫外线的空间和时间控制进一步实现了与高分辨率并行的众多致动器的快速制造。为了抑制每一层聚合树脂粘附在构建窗口上,研究人员用聚甲基戊烯(PMP)代替了传统的聚二甲基硅氧烷(PDMS),因为PMP的表面张力低得多(<20 mN m -1),透氧性更高和出色的透光率(25 mm样品在405 nm处>90%)。通过重新编程树脂托盘的滑动运动,实现了快速接近速度和使剪切分离力最大化的缓慢分离速度。
 
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图1 热机械液晶弹性体的数字光处理
 
LCE的对象操作和不受限制的运动
 
为了证明打印的LCE的对象操纵能力,研究人员打印了一个夹子(尺寸,18 mm×15 mm×0.2 mm;m = 75 mg)。连接到质心的L形细绳悬挂LCE夹持器并协助举起更重的物体,例如金属弹簧(m= 600 mg)。当夹持器接近预热的弹簧时,它会沿着垂直于其剪切打印方向的轴卷曲,并在没有任何外部控制的情况下缠绕在弹簧上。通过将自动抓握的弹簧转移到接收器容器中,即使在不断扭动琴弦时LCE抓手也可以保持牢固的抓握力超过25秒。此外,研究人员还通过利用局部热刺激演示了软机器人的爬行(尺寸,118 mm×15 mm×0.2 mm)。受气动四足动物步态序列的启发,波动序列设计为四个步骤,从静止状态开始:(i)加热前肢(大约前三分之一段)通过将前缘靠在锚定点上来拉起机器人;(ii)加热躯干(大约中间三分之一部分)进一步抬起脊椎并将后缘拖向其先前位置之前的新锚定点;(iii)加热后肢(大约后三分之一段)使其弯曲到更大的程度,储存弹性能量关闭热量,释放弹性能量与依次放松前肢、躯干和后肢相结合,推动机器人向前推进,进入新的休息状态,为另一个驱动序列做好准备。LCE软机器人在棘轮表面上移动速度为20 mm min-1。
 
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图2 LCE的对象操作和移动
 
当在剪切打印方向上连接到悬挂重物时,LCE聚合物网络沿相同方向拉伸,所有棒状LC介晶与聚合物主链平行排列。通过这种方式,弯曲致动器可以转化为线性致动器。为了展示它们的举重能力并衡量这些印刷LCE的工作能力,研究人员制造了狗骨形执行器。通过将衣架和重物安装到执行器的肩膀上,只有仪表部分(尺寸,25 mm×2 mm×0.8 mm)暴露在施加热机械收缩力以响应施加的热量。结果表明,每单位质量执行器所做的功(m = 56 mg),几乎与加载重量的质量成正比,最大为40 g(执行器自重的700 多倍),驱动应变逐渐衰减。最值得注意的是,该系统完成的最大特定功为 63 J kg-1,高于大多数3D打印LCE和人类骨骼肌,这归因于增加的致动器厚度的增加。
 
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图3 LCE执行器的举重运动
 
LCE执行器的光机自感特性
 
类似于在现代显示技术中使用液晶,形状记忆LCE也可以操纵光学双折射进行光机械转换,例如温控变形传感器。研究人员通过将微型光电元件与弯曲致动器耦合,将光学传感嵌入到LCE矩阵中(如图4)。DLP打印的LCE悬臂执行器(尺寸,15 mm×5 mm×0.8 mm)可以经历两种弯曲变形模式,即热诱导(例如,90°C阵风;模式1)或非热诱导(例如切换导致弯曲;模式2)。在模式1中,最初不透明的多畴LCE在响应热刺激进入各向同性状态时变得对光透明。例如,这种光学清晰度允许耦合光束通过红外发光二极管(LED)从一端传播;一些辐射到环境中,其余的在另一端反射回来,随后被放置在光源旁边的光电探测器接收。通过这种方式可以测量有损LCE波导的光信号以指示其自身的弯曲变形。在模式2中,虽然弯曲的幅度相似,但LCE保持其多畴状态完整,防止耦合光束传播,因此,光电探测器将不会捕获显着的信号变化。该原型演示将软热机械驱动与之前在其他类别的软执行器中使用的光电应变传感相结合,引入了用于电位反馈控制的自感应LCE执行器。相同的原理也可以扩展到多畴-单畴相变,用于监测同一材料系统中的伸长率和随之而来的硬化。
 
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图4
 
小结:作者介绍了一种基于数字光处理(DLP)的增材制造方法,该方法逐层自动剪切对齐介晶低聚物,以在光交联结构中实现高取向顺序;这种排序产生高比功(63 J kg-1)和能量密度(0.18 MJ m-3)。展示了由DLP打印的LCE执行器在软机器人中的应用,例如可逆抓取、无绳爬行和举重。此外,作者还提出了一种LCE自感系统,该系统利用热致光学跃迁作为反馈控制的内在选择,使该领域更进一步朝着LCE中的自然肌肉样感觉运动系统迈进。
 
全文链接:
 
https://advances.sciencemag.org/content/7/30/eabg3677
 
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