江苏大学AM：光一照就收缩，这根纤维还能自感知

纤维驱动器能够将外部刺激转化为机械功，在生物医学器件、软体机器人和智能纺织品等领域具有应用潜力，其性能取决于材料组成与纤维结构之间的协同，而这一协同决定了驱动模式、机械稳健性和可扩展性。液晶弹性体因有序介晶域可在外界刺激下发生可逆有序—无序转变，能够实现大且可编程的形变，并可响应热、光、电或磁刺激；分子取向还可用于编程收缩、弯曲和扭转等驱动行为。光刺激具有无线驱动和高时空精度的优势，但多数光响应驱动器依赖直接侧向照射，容易产生非均匀加热，并在受限或光学不可达环境中受到根本限制。光波导架构可将光传输与机械变形耦合于单一结构，为受限环境中的远程驱动提供了思路，但如何在紧凑纤维中同时集成高效远程光刺激、大范围可逆变形和应变传感，仍是需要解决的关键挑战。

针对这一挑战，江苏大学胡兴好教授、西北工业大学萧业教授和‌韩国化学技术研究院Hyun Kim教授合作，研究提出并实现了一种波导鞘芯光纤驱动器：以液晶弹性体为芯，以碳纳米管/炭黑导电层为鞘。近红外光经光纤传输后驱动可逆收缩，收缩行程最高达38%，可提升超过自重320倍的负载；纤维阵列可独立光学寻址，实现受限环境中的可编程多模态抓取；导电鞘同时作为应变传感器，通过电阻变化实时监测驱动状态。该工作将光热驱动与自感知集成于单一纤维架构，为在空间受限环境中运行的软体机器人系统建立了多功能平台。相关论文以“Waveguided, Self-Sensing Sheath–Core Liquid Crystal Elastomer Fiber Actuators”为题，发表在Advanced Materials上。

研究首先以示意图勾勒了该纤维驱动器的整体设计：液晶弹性体芯通过向列相—各向同性相变实现可逆轴向收缩（图1a），808 nm近红外光从驱动器一端输入，由CNT/CB鞘转化为热并驱动LCE芯收缩（图1b），导电CNT/CB鞘的电阻变化则用于自感知（图1c），基于该纤维的仿生软夹爪和连续体机械臂可在受限、弯曲环境中实现可编程抓取与导航（图1d）。这一设计将光传输、热转换、机械驱动和电学传感集中于同一根纤维，为后续制造与性能研究提供了清晰框架。

图1波导自感知鞘—芯液晶弹性体纤维驱动器概览。(a) LCE芯示意图，说明由向列相到各向同性相变驱动的可逆轴向收缩。(b) 波导光热驱动示意图，其中808 nm近红外光通过驱动器一端传输，并由CNT/CB鞘转化为热，驱动LCE芯收缩。(c) 通过导电CNT/CB鞘电阻变化实现自感知的机制。(d) 仿生软夹爪和连续体机械臂在受限、弯曲环境中进行可编程抓取和导航的演示。

在制造与结构表征方面，研究将LCE前驱液注入聚四氟乙烯中空管模具，经溶剂蒸发、脱模后进行机械预拉伸以取向介晶，再通过紫外光聚合固定取向（图2a）；预拉伸纤维透明，而未拉伸的多畴纤维不透明，偏光显微镜下纤维轴平行于偏振片时消光、与正交偏振片呈45°时亮度最大，证实了单轴取向向列结构的形成（图2b、2c）。随后以SWCNT与CB按1:1比例、各占分散液5 wt%的乙醇分散液涂覆纤维表面，形成均匀涂覆的CNT/CB鞘（图2d），截面SEM显示同心鞘层且厚约18 µm（图2f），表面SEM显示互连的CNT/CB网络（图2e）。该制造路线将取向LCE芯与多功能碳基鞘结合，为光热驱动和电学传感奠定了结构基础。

图2模板法制备LCE@CNT/CB纤维：制造与结构表征。(a) 单轴取向鞘芯LCE@CNT/CB纤维制造过程示意图。(b) LCE纤维光学图像，显示机械预应变后由不透明多畴LCE纤维转变为透明取向纤维，透过取向纤维可见“JSU”背景。(c) 偏光显微镜图像显示纤维轴平行于一个偏振片（0°，左）时消光，在正交偏振片之间45°（右）时亮度最大。比例尺2 mm。(d) LCE@CNT/CB纤维光学图像。(e) 不同放大倍数下LCE@CNT/CB纤维表面扫描电镜图像，显示互连CNT/CB网络。(f) LCE@CNT/CB纤维截面扫描电镜图像，显示LCE芯—CNT/CB鞘界面及18 µm厚CNT/CB鞘。

在光热驱动性能方面，808 nm近红外激光从纤维端面耦合输入，CNT/CB鞘将引导光高效转化为热并沿纤维传播，使照射端至远端形成较均匀温升（图3a、3b）；在连续1 W照射下，LCE@CNT/CB纤维收缩38%，而纯LCE纤维仅收缩10%（图3c）。前者平衡表面温度达89°C，超过LCE的向列—各向同性转变温度72°C；纯LCE吸光效率低，仅在照射端附近局部升温至约50°C，不足以驱动显著收缩（图3c）。有限元模拟与实验温度分布吻合（图3e），模拟收缩随时间演化见图3d；模拟进一步揭示CNT/CB鞘提供沿轴向和径向进入LCE芯的互连热通路，快速均化温度场（图3f、3g）；照射80 s后模拟远端达96.2°C、收缩38%，而纯LCE远端仅50°C、模拟收缩15%，且涂层纤维远端升温明显更快（图3h）。这些结果表明，CNT/CB鞘作为高效热导管，缓解了热局域化，实现了快速、均匀、大行程的端部近红外光热驱动。

图3鞘芯LCE@CNT/CB纤维驱动器的光热驱动。(a) 光学图像和(b) 相关红外热像图，显示LCE@CNT/CB纤维在一端激光照射前和照射期间。(c) 相同1 W激光功率下LCE@CNT/CB和纯LCE纤维的收缩行程和表面温度。(d) 计算得到的LCE@CNT/CB纤维收缩随时间变化，插图显示代表性时间点的温度分布。(e) 沿纤维模拟和实验测量温度分布比较。(f) 近红外照射下纯LCE纤维和LCE@CNT/CB纤维计算平衡表面温度分布。(g) 热平衡时未涂覆和涂覆纤维模拟轴向温度分布。(h) 近红外驱动期间纯LCE纤维和LCE@CNT/CB纤维端面温度演变。

进一步的结构与输入条件研究表明，增加CNT/CB鞘沉积时间可提高鞘厚和收缩行程（图4a）；纤维长度增加会因引导光沿轴衰减而降低收缩（图4b）；芯径影响呈非单调，0.8 mm时收缩最大达36.1%，与激光端口直径匹配，有利于光能有效输入（图4c）。驱动还随激光功率和照射时间可调：连续照射下收缩从0.3 W时10%增至1.3 W时约38%，功率提高也加快响应，超过1 W时温度超过T_NI后收缩接近最大值（图4d、4e）；研究以1 W为标准功率。机械负载方面，1 W下5 g负载时收缩达40.7%，高于无载38%，更高负载下收缩逐渐降低而机械功输出单调增加，驱动器可提升高达自重320倍的负载（图4f）；在5 g负载、40 s加热和20 s冷却的循环中，纤维40次循环维持约40%收缩，SEM未见明显形貌变化（图4g）；频率从0.01 Hz增至0.05 Hz时收缩幅度由约40%降至约20%，但在测试范围内仍保持稳定可重复的收缩—恢复循环。这些结果说明，纤维几何、光输入和负载条件可协同调节驱动幅度与动力学，而该鞘芯结构在循环和负载下仍保持稳定输出。

图4鞘芯LCE@CNT/CB纤维驱动器的驱动性能。(a) CNT/CB鞘厚度对波导驱动收缩的影响。(b) 受控近红外激光照射下波导驱动收缩对纤维长度的依赖性。(c) 受控近红外激光照射下波导驱动收缩对纤维直径的依赖性，插图显示相应光传播模式。(d) 5 g负载下不同近红外激光功率时LCE@CNT/CB纤维驱动器收缩曲线的时间依赖性。蓝色和黄色阴影区域分别表示激光开启和关闭时段。(e) 最大收缩和平衡温度作为激光功率的函数。(f) 收缩行程和做功能力对施加阻力负载的依赖性。(g) 40次连续激光开/关循环中的可逆驱动。插图显示循环响应放大区域及第1次和第40次循环后纤维扫描电镜图像。

在自感知方面，研究通过拉伸加载—卸载测试发现，相对电阻变化随拉伸应变增大，显示导电网络的压阻响应；为区分温度与变形贡献，研究比较自由收缩与固定长度两种构型，显著电阻变化仅在自由收缩时出现，固定长度纤维电阻变化可忽略（图5a、5b）。热触发电阻变化约1.65%，仅为长度变化引起电阻响应的3.9%，说明电阻变化主要源于变形诱导的CNT/CB导电网络重构，而非温度波动（图5b；数值比较见正文）。在75、150和250 s不同时长的循环光热驱动中，相对电阻变化与收缩动态紧密跟踪并高度可重复（图5c）；加热时−ΔR/R0随纤维收缩而增加，冷却时二者可逆下降，形成电阻—收缩轨迹，建立了纤维变形的直接电学读出（图5d）。这表明导电鞘不仅是光热转换层，也是无需额外传感组件的实时变形监测层。

图5LCE@CNT/CB纤维驱动器的自感知性能。(a) 激光关闭和开启状态下自由收缩和固定长度LCE@CNT/CB纤维的光学图像。(b) 加热—冷却循环中自由收缩和固定长度状态LCE@CNT/CB纤维相对电阻变化（−ΔR/R0）的温度依赖性，表明变形主导电阻变化。(c) 1 W循环光热驱动不同持续时间（75、150和250 s）下−ΔR/R0和收缩行程的同时实时变化。(d) 不同持续时间代表性加热—冷却循环中的电阻—收缩轨迹，显示驱动器变形的可逆电学特征。

在演示验证方面，受蟹钳闭合启发，LCE@CNT/CB纤维驱动的仿生臂在1 W光照30 s后弯曲64.5°；将纤维肌肉集成到双指夹爪后，近红外光热收缩使手指闭合，双指夹爪示意图见图6a，可逆抓取与释放见正文演示，受限透明管内抓取、提升和释放见图6b。进一步将光学驱动夹爪集成到由3D打印关节段组成的缆驱动连续体机械臂远端，每个关节段含三个周边通道用于多向缆驱动、中心腔用于引导光纤至末端夹爪，协调缆驱动使机械臂进入并穿越弯曲管道、接近目标并抓取回收（图6c）。利用自感知监测抓取过程，四个阶段见图6e，不同尺寸物体抓取见图6d；M3、M5和M8物体的最大−ΔR/R0分别约为42%、36%和26%，随物体尺寸增大而系统降低，因为较大物体限制夹爪闭合位移，从而限制纤维收缩及电阻变化（图6d、6e）；M5螺母循环抓取—释放测试中电阻变化一致，验证了重复操作中的可重复电学响应。此外，将三根LCE@CNT/CB纤维围绕中心弹簧捆绑形成可编程弯曲模块，选择性照射单根或多根纤维产生非对称光热驱动，实现可控360°全向转向，双纤维驱动下弯曲角超过24°。这些演示表明，该纤维驱动器能够在受限空间中实现远程光驱动操作，并通过自身电学信号分辨抓取阶段和物体相关状态。

图6LCE@CNT/CB纤维驱动器的受限空间操作和自感知演示。(a) 蟹钳闭合示意图及由LCE@CNT/CB纤维驱动器驱动的相应仿生夹爪。(b) 在受限透明管内光学抓取、提升和释放目标物体的序列图像。(c) 集成光学驱动夹爪的缆驱动连续体机械臂在弯曲管道中导航、接近、抓取和取回目标物体的序列图像。(d) 抓取不同尺寸物体（M3、M5和M8）。(e) 抓取期间实时相对电阻变化（−ΔR/R0），揭示四个操作阶段：初始状态（状态I）、驱动和抓取（状态II）、保持（状态III）、释放和恢复（状态IV）。明显的电阻变化可区分抓取阶段，并通过自感知实现物体相关抓取状态监测。

总体而言，该研究将远程光驱动与电学自感知集成于波导LCE@CNT/CB纤维中，实现了最高达38%的可逆收缩、可提升超过自重320倍的负载和稳定的循环性能；光热CNT/CB鞘同时承担热转导和变形依赖的电阻传感，使驱动与变形监测在单根纤维内完成；纤维捆绑还可通过独立光学控制实现可编程轴向收缩和360°全向弯曲。系统级集成到连续体夹爪中，展示了在受限管状环境中可重复抓取和回收的能力。通过结合精确光传输、大变形和集成传感，这些纤维为软体机器人、微创器件和自适应纺织品提供了紧凑且可扩展的平台。