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2023-07-20变形下来硬杠宗师

北大团队造出自发伸缩型“人工手臂”，接近人体肌肉120%的收缩率，能实现协同变形和荧光变色

利用液晶聚合物来制备“人工肌肉”的理念，最早由法国物理学家、诺奖得主皮埃尔-吉勒·德热纳（Pierre-Gilles de Gennes）提出。近年来，智能材料尤其是刺激响应性材料，一直是热门的研究领域。这些材料在受到外界刺激之后，会发生伸长、收缩、或弯曲等形变并能对外做功，和人类肌肉十分相似。北京大学教授课题组深耕这一领域已有多年，近日他们通过制备单轴取向的聚合物样条，得到了可以自发随温度伸长和收缩的材料，形变量达 118%，十分接近于人体肌肉的 120% 收缩率。（来源：Advanced Materials）该团队发现，使用蓝光对材料进行单侧照射时，可以让被照射一侧的聚合物伸长，并能使材料发生弯曲。而调控光照时间，还能改变弯曲的角度。有意思的是，由于双氰基二苯乙烯液晶基元的[2+2]环加成反应，被照射之后的聚合物中可能存在部分的交联结构，这让其柱状相结构几乎不再随温度变化，模量也能提升一个数量级。因此，对于被光照弯曲后的样条，还能通过温度来控制未被照射一侧聚合物的伸长和收缩，从而改变弯曲角度。在此过程中，小小的聚合物样条可以抬起自身 30 倍重量的重物，俨然一个“人工手臂”。同时，他们还建立一个简化版的“双层结构”物理模型，来对整个材料的形变进行理论计算，借此得到了弯曲角度与实验中各条件的通用关系式，进一步说明了形变的可控性。总的来说，这个会“呼吸”的柱状相，是一个新的侧链液晶聚合物液晶相行为。同时，课题组也利用这种相行为模拟了人类肌肉的运动，初步制备出一种可控形变的“人工肌肉”和“人工手臂”。未来，通过改变液晶基元的类型，可以设计更多具有其他功能的智能材料。概括来说，他们不仅发现了新的聚合物材料形变机理，也为发展具备可控和任意形变能力的智能材料提供了新思路。近日，相关论文以《基于超分子柱“呼吸”的连续变形精准可控人造肌肉》（）为题发表在 Advanced Materials [1]上。图 | 相关论文（来源：Advanced Materials）是第一作者，北京大学高分子系教授和教授担任共同通讯作者。图 | 从左到右：教授、博士、副教授（来源：资料图）不过，在设计可以任意形变的可控型智能材料、以及软体机器人等领域里，此次工作仅是一个初步尝试。在此基础上，预计会有更多新材料面世。在应用前景上，该类材料可以实现协同的变形以及荧光变色，在人机交互领域或者 3D 彩色显示等领域具有一定应用前景。而当作为实际材料来使用时，还要考虑诸多其他因素，比如力学性能、鲁棒性、制造成本等等。（来源：Advanced Materials）会“呼吸”的柱状相据介绍，人体肌肉的收缩和松弛运动，都具有单一的方向性也就是各向异性，而这恰巧是液晶材料本征的特殊性质。在液晶聚合物中，液晶基元可以沿某一方向进行有序排列，进而自组装成为各向异性的液晶相。当液晶基元的有序排列被打乱，即从液晶相转变为各向同形态时，液晶基元会发生剧烈的方向变化，同时还会拉扯聚合物链发生运动，致使材料发生剧烈的各向异性收缩，而这种收缩行为和人体肌肉的收缩十分相似。利用这一相变过程，学界通过设计液晶弹性体和液晶聚合物网络，创造了大量“人工肌肉”材料。然而，液晶态到各向同性态的转变是一级相变，这种相变导致的各向异性收缩并不是连续的。在一些研究中，人们通过制备一个很宽的液晶转变温区，来获得连续变化的形变，然而依然很难实现精确的控制。为此，团队打算设计一种可以精确控制形变的聚合物材料，这也是本次课题的来源。近年来，该课题组一直致力于研究侧链液晶聚合物（SCLCP，side-chain liquid crystal polymers）的结构和功能。侧链液晶聚合物是一种可塑性很强的“多面”型材料。通过改变聚合物的主链、功能性液晶基元以及侧链的拓扑结构，可以得到多个具有不同功能的材料。结合过去成果和文献调研，他们发现柱状相的侧链液晶聚合物，在制备“人工肌肉”方面具有很大的潜力。在一些柱状相侧链液晶聚合物中，液晶基元能够围绕主链形成一个圆柱状的结构。在体积（密度）不变的前提下，假如圆柱的直径可以改变，圆柱的长度也会发生相应的变化。假如聚合物中的圆柱能被单轴取向，那么聚合物就能发生伸长/收缩。但是，要想得到连续、可控的伸长/收缩，就需要圆柱的直径能够连续变化，并且它的液晶相必须保持为柱状相，即不会发生液晶相到各向同性态的一级相变。基于此，课题组选择了楔型侧链液晶聚合物，并把它自发形成的多链超分子柱作为柱状相的结构基础。这时，聚合物主链能否如愿自由伸缩，是成败的关键。在第一次尝试中，他们使用柔软的聚环辛烯作为主链。所谓楔形侧链，其实是一个棒状基元和扇形基元连在一起形成的楔形液晶结构。该团队猜想，在温度升高时，一端固定在聚环辛烯主链上的楔形侧链的热运动增强，会迫使主链产生协同运动。在多链超分子柱中，快速的

2023-04-13北大 120%荧光变形