浙大团队开发液晶介电弹性体，通过改变温度实现多模态驱动

抓握、拖拽、将物品举起来……这些日常动作都是人类肌肉在不同需求下，自发切换驱动模式实现的。

介电弹性体是一种在电场下能够被驱动的人工肌肉，这种弹性体虽然模仿人类肌肉的功能，但实际上二者的差异性仍然很大。

基于此，浙江大学谢涛教授课题组从材料领域角度出发，研发了一种液晶介电弹性体。该材料能够仅在外界温度变化时改变自身几何形状，由此具有不同的弯曲刚度，进而在电场作用下自动地切换驱动模式。

审稿人对该研究评价称，该研究所展示的多模态驱动尚未报道过，是领域内显著的进步。

图丨从左至右依次为：浙江大学博士研究生张铖宬、谢涛教授、金斌杰博士（来源：金斌杰）

介电弹性体需要电压驱动。领域内常见的驱动电压较高，通常在 20V-100V/μm。该研究中实现了 8V/μm，与以往研究相比下降了 1 个数量级。从供电电压的角度来看，低电压能够保证使用的稳定性和安全性。

另一方面，以往使用的介电弹性体材料受限于平面的扩张和收缩，如果想实现弯曲、扭转等复杂的动作，则需要设计特定的结构或材料。

而该研究所使用的液晶介电弹性体实现驱动的方法简单有效，它的驱动模式与形状直接关联。

该论文通讯作者、浙江大学博士后研究员金斌杰进一步指出，“也就是说，当我们想改变驱动模式时，不需要非常复杂的控制系统，仅需要通过调节环境温度改变材料的形状即可。”

图丨液晶介电弹性体的编程机理（来源：Advanced Materials）

从液晶介电弹性体的应用前景来看，由于该材料不需要复杂的控制手段，因而有望用于软体机器人的微型化。

另外，同类的控制系统因包含芯片、电路等硬质材料，通常兼具软硬材料。与之相比，液晶介电弹性体是全软性质，因此适用于一些受限空间。与此同时，该材料应用于人机交互方面时，也具备更加安全和更舒适的优势。

图丨相关论文（来源：Advanced Materials）

近日，相关论文以《具有多模态驱动的重复可编程液晶电介质弹性体》（Repeatedly Programmable Liquid Crystal Dielectric Elastomer with Multimodal Actuation）为题发表在 Advanced Materials 上 [1]。

浙江大学张铖宬博士研究生为论文第一作者，浙江大学博士后研究员金斌杰为论文通讯作者，浙江大学谢涛教授对该研究给予了指导与帮助。

据介绍，该研究的设计灵感来源于虫子爬行。研究人员注意到，虫子在爬进洞之前，会先将身体降下来再慢慢挪到洞中，然后抬高它的身体继续向前爬。

这种爬行的模式与虫子自身的形状相关，于是，他们马上联想到，或许介电弹性体不同的形状会具有不同的驱动模式。

在这种现象的启发下，该课题组提出了一种控制材料变形的手段：几何效应。也就是说，利用形状变化产生不同的弯曲刚度，进而改变材料的驱动模式。

金斌杰解释说道：“材料在改变自身形状时，其弯曲刚度也会随之发生改变。不同弯曲刚度在相同作用力下，就会呈现出不同的表现。”

图丨温度变化时的多模态介电驱动（来源：Advanced Materials）

在该研究中，研究人员通过改变温度实现了高温和低温下两种驱动模式。在切换过程中，如何独立地控制材料在两种模式下的形状，并进行自主、可逆的切换是最关键的问题。

该团队采用液晶弹性体的设计来应对该问题。这种材料在温度改变的情况下，能够自发可逆地发生形状变化。

然后，对于两个不同温度下的形状，研究人员又采用了两种不同形状的手段，来实现互不干扰的控制，因而在驱动方面具有很高的控制自由度。

图丨基于临时形状的可编程介电驱动（来源：Advanced Materials）

下一步，该课题组计划基于液晶弹性体改变形状的机理，也对其他改变形状的设计原则进行探索，以确定该机理是否具有普适性。

需要了解的是，人类肌肉的驱动模式多样，虽然在该研究中实现了温度切换过程中驱动模式的改变，但驱动数目仅有两个。

因此，下个阶段他们希望找到新的手段来调控该材料的行动，以实现更多样的驱动模式。

另一方面，在本次研究中展示了单一的执行动作，该团队还希望在后续的研究中将材料做得更加器件化，进而向能够自主判断及执行特定功能的软体机器人方向发展。

“此外，也希望我们提出的几何效应能够为水凝胶致动器、离子聚合物/金属复合致动器等驱动材料带来新的启发。”金斌杰表示。

参考资料：

1.Zhang,C. et al. Repeatedly Programmable Liquid Crystal Dielectric Elastomer with Multimodal Actuation. Advanced Materials(2024). https://doi.org/10.1002/adma.202313078

排版：刘雅坤