彩色人工肌肉与可移动湿度传感器皮肤

研究背景

丰富多彩的外观对生物有多种好处，例如变色龙和章鱼，在伪装、保护身体、信号和生理方面都有好处。因此，研究人员受到启发，开发人工彩色设备来模仿自然界的对应物。相比之下，结构色在日光下保持鲜艳，没有光漂移问题。

大多数的结构色彩都是由有序的微观结构产生的，包括散射、薄膜干涉、光栅、元表面、全内反射和光子晶体。作为一种典型的光子晶体，胆甾醇液晶由棒状液晶线介体组成并以螺旋方式周期性地排列。在开发动态彩色胆甾醇液晶器件方面已经取得了令人印象深刻的进展。然而，以前报道的大多数器件都是以静态涂层/液晶玻璃单元或具有一维平面内收缩/延伸的聚合物薄膜片的形式出现的。尽管关于湿度响应性 CLCNs 的动态颜色变化的报告令人印象深刻，但注意力主要集中在粘附在基材上的CLCN 涂层的颜色响应上。对机器人技术至关重要的吸湿性 CLCNs的机械变形参数仍未被探索，三维致动器仍很少被证明。而对于基于液晶聚合物的三维致动器，样品切割方向与变形模式(如卷曲或扭曲)相合，因为液晶致动器通常采用空间上不均匀的分子构型，如径向/伸展/双线排列，使具有复杂形状和所需致动模式的致动器的制造变得复杂。这种分子构型也是无色的，不能直接用于开发彩色致动器。

研究成果

结构性彩色胆甾醇对外部刺激显示出令人印象深刻的敏感性，从而导致在电子/机械变色设备中的应用。然而，基于胆甾醇的结构性多彩致动器的平面外致动以及与其他刺激的整合仍然没有得到充分发展。在此，德国马克斯·普朗克智能系统研究所的Metin Sitti教授团队利用湿度响应的胆甾醇液晶网络 (CLCNs) 和磁性复合材料开发了多彩致动器和可动湿度传感器。所开发的彩色致动器可以表现出协同的平面外形状变形和对湿度的颜色变化，CLCNs 作为彩色的人工肌肉。通过与磁性控制的整合，该运动传感器可以借助摩擦力导航到开放和封闭的空间，以检测当地的相对湿度。胆甾醇磁致动器的多刺激致动整合将扩大结构性多彩致动器和密闭空间的运动传感器的研究前沿。相关研究以“Cholesteric Liquid Crystal Polymeric Coatings for Colorful Artificial Muscles and Motile Humidity Sensor Skin Integrated with Magnetic Composites”为题发表在Advanced Functional Materials期刊上。

图文导读

Figure 1. Humidity-responsive cholesteric liquid crystal networks (CLCN).

Figure 2. Characterization of the humidity-responsive CLCN.

Figure 3. Synergistic shape morphing and color change of humidity-responsive colorful actuators.

Figure 4. Humidity-induced synergistic shape morphing and color change of an artificial flower.

Figure 5. Control of the artificial colorful butterfly using humidity and magnetic field.

Figure 6. Walking robotic humidity sensor.

Figure 7. Cylindrical crawling humidity sensor for the confined tubular environment.

总结与展望

作者已经开发了磁性彩色驱动器和运动传感器。磁性多彩执行器可由湿度和磁场控制，并表现出协同的形状变形和颜色变化。此外，对湿度敏感的 CLCN 与磁力驱动的运动相结合，开发了可移动的湿度传感器，可用于监测不同地方的湿度变化，甚至在密闭的管状情况下。在未来的工作中，执行器和传感器的灵敏度将得到改善，以开发具有更快、更灵敏反应的彩色执行器和传感器。该研究对开发基于视觉的读出结果的无线控制执行器和传感器很有价值。

文献链接

Cholesteric Liquid Crystal Polymeric Coatings for Colorful Artificial Muscles and Motile Humidity Sensor Skin Integrated with Magnetic Composites

https://doi.org/10.1002/adfm.202300731.

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