以下文章来源于EngineeringForLife ，作者EFL
利用液晶弹性体(LCE)实现高性能纤维人造肌肉的可扩展制造有着潜在实际应用，因为这些活性软材料可以在环境刺激下提供大的、可逆的、可编程的变形。高性能纤维状LCE需要使用的加工技术将LCE塑造成尽可能细的微型细纤维，同时实现宏观LC取向，但这仍然是一项艰巨的挑战。
近日，来自西湖大学的吕久安研究员团队受蜘蛛拉丝液晶纺丝的启发，开发了一种采用温和加工条件的仿生加工平台，可以大规模生产高性能纤维人造肌肉（图1）。这个加工平台是根据三个标准设计的：（1）能够连续制造薄的、排列整齐的纤维人造肌肉；(2)纺丝原液必须具有合适的机械性能，能够进行大范围快速拉伸形成细纤维，从而实现连续高速生产；(3)能够在温和的加工条件下制备纤维。
相关研究成果以“Bioinspired Liquid Crystalline Spinning Enables Scalable Fabrication of High-Performing Fibrous Artificial Muscles”为题于2023年2月22日发表在《Advanced Materials》上。
1. 仿生加工系统的构建
为了实现第一个要求，作者设计了一种使用仿生加工原理进行纤维成形和定向的加工系统（视频1）。
该系统由四部分组成（图2）：（1）配备锥形长喷丝头的数控注射器，用于内部牵伸和初始对准，（2）用于外部牵伸的卷线筒，用于拉伸和对准纺出的纤维（图2b）；(3)纺出的纤维被拉伸和对齐后用于固化的紫外线源（图2c-d）；(4)导轨滑块，用于等间隔有序地收集纤维（图2i）。注射器采用锥形长喷丝头（图2e）实现未纺丝液晶涂料的直径减小和初步定向（图2f-g）。纺出的材料离开喷丝头后，纺出的纤维通过数控电机驱动的卷线筒进行机械拉伸（图2h），这种卷线筒不仅起到卷取和收集纤维的作用，更重要的是可以使纤维变细。纤维并增强其定向性。通过内部和外部的缩减和对齐，可以成功制备薄的、对齐的纤维状人造肌肉纤维（图2j）。
2. LCE微纤维的性能
向蜘蛛学习添加辅助化合物以创建复合材料以增强其牵引丝的机械性能，作者选用石墨烯功能掺杂剂 (2 wt%) 已添加到纺丝原液中，它不仅可以提高制备的LCE微纤维的机械强度，同时也为材料提供近红外光响应。如图3a所示，当 LCE微纤维被NIR照射时，它沿纵向收缩，在0.25 s内长度变化37%，向上拉动超过比超细纤维重 2000 倍的重负荷。通过改变光强，可以调节微纤维的驱动应变和应力，最大应力可超过3.8 MPa（图3b），比人体骨骼肌（0.35 MPa）至少高出一个数量级。此外，如图3c所示，直径为33 μm的LCE超细纤维可以在10 Hz下以40%的大长度变化快速拉动重物（0.38 g，比超细纤维重12,667倍）。
作者还评估了LCE微纤维在不同NIR下的驱动性能，通常，频率的增加会导致受辐照微纤维的致动应变降低（图3e）。此外，作者证明，这种LCE微纤维可以将持续的光刺激转化为持续的、可持续的自振荡运动。如图3f-1所示，当与物体（272 mg）连接的部分LCE微纤维被NIR照射时，承载物体的LCE微纤维会产生向上-上下自激振荡，最高频率可达 7.8 Hz。与之前报道的在加载时基本上无法工作的软振荡器相比，能够抵抗外部负载的自振荡微纤维对于实际工程应用具有重要意义。
3. LCE微纤维的驱动性能比较
接着，作者采用四个参数（响应频率、驱动应变率、驱动应力和功率密度）来评估LCE微纤维的驱动性能。在相同的应变条件下，LCE微纤维表现出高变形频率(50 Hz)，可实现快速响应，这是现有 LCE 致动器尚未实现的（图4a）。并且LCE微纤维显示出快速的驱动应变率 (810% s-1) 和强大的驱动应力(5.3 MPa)，这比之前报告的LCE纤维驱动器大得多（图4b）。所设计的光纤执行器的最大能量密度可以达到20440 W/kg（图 4c），这比之前报道的最大功率密度400 W/kg的记录至少高出两个数量级。。
4. LCE微纤维致动器的多种应用
肌肉是生物体最重要的功能组成部分之一，它为广泛的运动提供变形和力量。骨骼肌由一束肌肉纤维组成，可实现快速、可逆和高度可控的驱动。作者证明LCE微纤维可以作为纤维人造肌肉来实现不同的运动模式（图5a和视频2），表明LCE微纤维可以用作纤维人造肌肉，用于广泛的应用，例如柔性机器人、可穿戴外骨骼和医疗康复设备等。
此外，作者还设计了各种与微纤维集成的小型驱动装置。如图5b所示，作者设计并制造了一种光控镊子，其尺寸仅为~3.2 mm，结构紧凑且完全由光驱动。小镊子利用光驱动可逆收缩的优势，在0.5秒内实现两个尖端的快速闭合或打开（图5c和视频3）。
除此之外，作者还创建了一个由 LCE 微纤维的可逆光变形驱动的微型剪刀（尺寸为 8 毫米）（图 5d），它可以表现出关闭其两个刀片的快速动作（视频4）。
利用LCE微纤维的快速响应，作者制造了一个机器人翅膀，模仿蜻蜓翅膀的高频拍打（图5f和视频5）。机器人翅膀的最高频率可以达到 10 Hz（图 5g），在蜻蜓翅膀的拍打频率范围内（8-15 Hz）（图 5e）。
综上，受蜘蛛纺丝技术在精细和定向拉索生产中的启发，本文设计了一种多功能纺丝技术，利用内部牵伸和外部牵伸来实现薄、排列良好的LCE微纤维的直接制造，这些微纤维表现出理想的组合：工程应用高度需要的驱动性能。这种纺丝技术具有独特的能力，可以连续高速生产具有明确定义的LC取向的均匀细细纤维，这是很少有加工技术可以实现的。这种纺丝技术将提供一个多功能的加工平台，以促进高性能纤维LCE致动器的可扩展制造，这将对软机器人、类肌肉致动器、光学传感、智能纺织品和许多其他领域的发展产生重大影响。
文章来源：
https://doi.org/10.1002/adma.202211800
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