清华大学AM：液晶弹性体纤维实现超快热驱动

液晶弹性体（LCE）纤维因其大而可逆的变形能力，在人工肌肉、软体机器人、仿生器件和传感等领域具有广阔前景。然而，面向超快热响应和高功率输出的 LCE 纤维制备方法仍然有限，影响其热驱动性能的因素也有待深入探索。以往研究常通过引入固体或非响应掺杂材料来转换刺激形式、优化加热效率，但这类材料与 LCE 机械性能不匹配，可能对纤维变形产生负面影响。因此，提升本征 LCE 的热响应能力成为关键，主要策略包括减小纤维直径和优化纤维取向；而功率密度由驱动速度和负载能力共同决定，理想 LCE 纤维必须同时具备细直径和高取向。静电纺丝能够产生细纤维，并借助电场促进液晶基元轴向取向，但相关研究仍稀少，性能提升有限，该领域尚处初期。为此，研究提出基于静电纺丝的串联取向策略。

清华大学杨忠强副教授、袁金颖教授合作，提出一种基于静电纺丝的串联取向策略，用于制备高度取向 LCE 纤维。所得纤维有序参数高达 0.78，并在热刺激下表现出优异的驱动性能：驱动应变达 80%，驱动速度为 1485% s⁻¹，峰值功率密度为 6105 W kg⁻¹。进一步研究发现，驱动性能可通过共振显著增强；在恒定加热条件下，调节加热频率可使 LCE 纤维的驱动速度最高放大 10 倍，实现类似昆虫振翅的仿生能量效率优化。该 LCE 纤维在需要超快、高效热驱动的场景中展现出良好应用潜力。相关论文以“High-Performance Liquid Crystal Elastomer Fibers via a Tandem Alignment Strategy”为题，发表在Advanced Materials上。

在方法上，该工作以 RM257 为液晶单体、HDT 为间隔基、DPA 为催化剂，通过硫醇与丙烯酸酯基团的迈克尔加成反应合成液晶低聚物，并与光引发剂 I651 混合制备电纺墨水（图1a）。电纺过程中，低速滚筒收集的非取向液晶低聚物纤维毡呈随机无序排列（图1c），高速滚筒收集的取向纤维毡排列良好（图1d）。随后，取向纤维毡被成形为纤维，经紫外预交联、热拉伸和二次紫外交联，获得高度取向的 LCE 纤维（图1b、图1e）。为定量确认取向程度，X 射线衍射显示，非取向纤维毡无明显峰结构（图2e），取向纤维的峰比取向纤维毡更尖锐（图2f、图2g），计算得到有序参数为 0.78（图2h）。该策略的核心在于，将电纺过程中的原位取向与后续串联拉伸结合，使纤维在已有较好取向的状态下引入交联点，从而兼顾细直径和高取向。

图1 （a）由 RM257 和 HDT 组成的液晶低聚物的化学结构。将液晶低聚物与光引发剂 I651 混合以制备用于静电纺丝的墨水。（b）电纺 LCE 纤维材料制备的示意图。扫描电子显微镜图像：（c）非取向液晶低聚物纤维毡；（d）取向液晶低聚物纤维毡；（e）取向 LCE 纤维。比例尺：100 µm。

图2 （a）非取向纤维毡、（b）取向纤维毡和（c）取向纤维的偏振光学显微镜图像（白色虚线表示 LCE 纤维的位置）。比例尺：100 µm。（d）光通过厚度不均匀的电纺纤维毡的示意图。（e）非取向纤维毡、（f）取向纤维毡和（g）取向纤维的 X 射线衍射图案的方位角强度分布。（h）不同方法制备的 LCE 纤维有序参数比较[6,18,27–37]。

在驱动性能方面，加热后的 LCE 纤维可收缩并提起蜂鸟吊坠（图3a）；直径为 118 µm 的纤维在 150°C 达到最大驱动应变 63%（图3b）。驱动速度随纤维直径减小而显著提高，40 µm 纤维在 300°C、0.3 MPa 下可达 1461% s⁻¹（图3c），并随热源温度升高而增加（图3d）。在 300°C 下，不同施加应力范围内，纤维最大驱动应变达 80%、最大驱动速度为 1485% s⁻¹（图3f），峰值功率密度为 6105 W kg⁻¹（正文）。基于该超快纤维，研究还构建了肘部骨骼手臂模型，纤维在仅 0.125 s 加热后，0.24 s 内使前臂抬起 Δθ > 50°，平均速度达 225° s⁻¹（图3k，概念见图3j），展示了其作为人工肌肉的应用潜力。

图3 （a）加热的 LCE 纤维提起蜂鸟吊坠的机理示意图。（b）直径为 118 µm 的 LCE 纤维的驱动应变随温度的变化。纤维驱动性能对（c）直径、（d）热源温度、（e）施加应力（在 150°C 温度下）和（f）施加应力（在 300°C 温度下）的依赖关系。（g）纤维在 150°C 和 200°C 下驱动应变演化的比较（直径 92 µm，施加应力 0.2 MPa）。（h）不同热源温度下纤维在各极值点的驱动应变（直径 92 µm，施加应力 0.2 MPa）。（i）三个驱动参数的比较三维散点图[16–18,42–45]。（j）人臂中的肱二头肌通过收缩和松弛使手臂弯曲。草图图像由 GPT-image-1 生成（访问于 2025 年 12 月），随后由作者修改。所有内容均由作者审查以确保概念准确性。AI 披露仅适用于（j）图。（k）由超快 LCE 纤维驱动的手臂模型。

进一步研究发现，该 LCE 纤维的热驱动性能可通过振荡与共振调控。在 10 Hz 加热频率下，纤维驱动重物明显振荡（图4b）；驱动应变和驱动速度均在 10 Hz 达到最大值，分别为 38% 和 766% s⁻¹，速度达到低频 1 Hz 时的 10.8 倍，功率密度由 222 W kg⁻¹ 提升至 2394 W kg⁻¹（图4j及正文）。研究指出，当加热频率接近系统固有频率时，振幅因共振而急剧增加；同时，粘弹性 LCE 的动态模量随频率升高而增加，使刚度与固有频率上升，从而形成先下降、后上升、再下降的竞争趋势。施加应力可通过拉伸硬化效应调节共振频率，而纤维直径对共振行为影响相对不敏感。基于该机制，超快纤维驱动的仿生振翅可在 15 Hz 高频下往复振荡，1.39 s 内完成 20 多个循环（图4k），表明其在高频仿生设计中的潜力。

图4 （a）黄蜂和其他昆虫的翅膀高频振动。草图图像由 GPT-image-1 生成（访问于 2025 年 12 月和 2026 年 1 月），随后由作者修改。所有内容均由作者审查以确保概念准确性。AI 披露仅适用于（a）图。（b）LCE 纤维在 10 Hz 加热频率下驱动重物振荡。直径为 117 µm 的纤维（施加应力 0.4 MPa）在（c）1 Hz、（d）2 Hz、（e）4 Hz、（f）6 Hz、（g）8 Hz、（h）10 Hz 和（i）12 Hz 下进行热驱动振荡的驱动应变-时间曲线。（j）热驱动振荡的驱动应变和驱动速度随加热频率的变化。（k）由超快 LCE 纤维驱动的仿生振翅的弯曲振荡运动。

在应用验证方面，研究利用超快 LCE 纤维、镜子和激光构建了简单摩尔斯电码装置（图5a），通过纤维可逆收缩控制镜子反射角度，成功将加热频率变化转换为“THU”的摩尔斯电码信号（图5b），说明其可将热刺激快速转换为光信号并减少热滞后。研究还构建了高温报警电路（图5c），利用纤维高温收缩抬起导电铜箔，在热源与纤维保持约 1.1 cm 距离、模拟锂离子电池局部过热场景下，纤维暴露于 120°C 热源后约 40 ms 内，灯泡完全熄灭、蜂鸣器发出报警声（图5d），展示出集保护与报警于一体的应用潜力。

图5 （a）基于超快 LCE 纤维、镜子和激光的简单摩尔斯电码装置示意图。卡通人物由 ChatGPT images 2.5 生成（访问于 2026 年 9 月），仅用于视觉呈现。AI 披露仅适用于（a）图。（b）使用简单摩尔斯电码装置传输“THU”信号。（c）由超快 LCE 纤维构建的高温报警电路示意图。（d）约 40 ms 后，超快 LCE 纤维悬挂起包裹有导电铜箔的负载，断开电器并启动蜂鸣器。

研究最终提出，将串联取向策略与静电纺丝结合，可制备高度取向且热驱动性能优异的 LCE 纤维。电纺原位取向与后续二次拉伸有效结合，使纤维同时实现细直径（低至 40 µm）和高取向度（有序参数 0.78）。该 LCE 纤维在驱动应变 80%、驱动速度 1485% s⁻¹、功率密度 6105 W kg⁻¹ 三项关键参数上均表现突出；其功输出还可通过频率调制，在共振时放大至低频的 10.8 倍，为高频仿生设计提供了可能。基于该超快纤维，研究展示了从经典人工肌肉到热控编码传输，再到面向电池热失控的高温报警器件等一系列应用。该工作表明，串联取向电纺 LCE 纤维有望通过阵列设计实现更复杂、超快响应行为，在运动辅助、软体机器人、安全通信和热监测系统等领域具有重要潜力。