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江苏大学AM:光一照就收缩,这根纤维还能自感知

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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。

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