4D打印液晶弹性体在软体机器人领域的研究综述

王子航

(西北工业大学化学与化工学院 陕西 西安 710072)

0 引言

软体机器人是一种不同于传统刚性机器人的新型机器人,独特的柔体结构使其拥有更多样的功能和更广的应用范围。而液晶弹性体(liquid crystal elastomer, LCE)作为一种机械活性软材料,其优异的可逆形变能力和刺激响应能力相比众多制造机器人的传统材料拥有较为明显的优势。目前,人们用4D打印技术实现高精度、高效率的机器人制造,根据不同的需求进行定制化设计,极大契合软体机器人的特性。开发体系完善的4D打印技术,获得更高质量的液晶弹性体,对于软体机器人领域的发展有着重要的意义和参考价值。

1 概述

4D打印技术是将3D打印技术和变形可控材料结合的新兴制造技术,它在原有3D打印基础上增加时间维度的调控,即打印对象的形状、特性或功能可以在外部刺激下随着时间的推移而变化[1]。在可用4D打印的众多刺激响应材料中,LCE是一种机械活性软材料,具有可编程和可逆的形状变化[2],因为其变形大且可逆、应变响应快、机械性能优异、各向异性好,被认为是4D 打印中具有前景的材料[3]。目前实现智能化制造4D打印液晶弹性体的方法众多,为机器人领域的发展提供了无限可能。软体机器人作为新兴发展的机器人,其相对于刚性机器人有着更优良的形状结构大变形、环境适应性和更友好的人机交互,在微小空间和限定环境进行工作等特殊应用领域具有重要的实用价值[4-5]。LCE因其具备独特的液晶和弹性体的双重性能,而成为制备软体机器人最优良的材料之一。LCE制成的机器人部件可受多种外部刺激以此来触发LCE的致动,从而使机器人具有良好的智能响应功能,使得新型智能材料和可变形结构在软体机器人的设计和制造中得到了广泛的发展。

2 4D打印液晶弹性体在软体机器人的研究进展

2.1 4D打印液晶弹性体技术的进展

与传统的打印技术相比,4D打印技术能够对所打印材料的形状和大小进行编程。REN等[6]提出了多参数编码4D打印弹性体的新方法,通过对LCE的变形形状进行编程,根据实验和模拟所得数据分析印刷速度、挤出压力、印刷高度和紫外光强度等参数对LCE驱动性能的影响,实现不同的局部形状变形行为,为构建机器人致动器提供了设计的思路和空间。PENG等[7]开发了一种新型的混合增材制造系统,该混合系统由自上而下的数字光处理器(Digital Light Processing, DLP)和带有原位激光固化模块的直接墨水书写(direct ink writing, DIW)组成,激光固化DIW模块固化LCE墨水,而DLP提供可移动的支撑结构,合理地设计了LCE油墨,并在挤压时实现快速固化,从而增强驱动,减少驱动应变,可以在增材工艺中实时打印独立的LCE结构。4D打印赋予液晶弹性体集成形状可编程和性能可调控的特性,为传感器和执行器的改进提供了新的方向和指导。将4D打印技术应用于软体机器人的设计与制造中,可以突破现有软体机器人驱动材料和支撑材料难以结合的设计技术瓶颈,使其结构功能化、功能多样化。

2.2 不同响应驱动的4D打印液晶弹性体软体机器人

4D打印技术制造软体机器人能够显著提高生产效率和制造灵活性。根据刺激响应方法的不同,4D打印液晶弹性体软体机器人可应用于不同领域。ROG等[8]使用了连续液晶弹性体致动器的光热感应响应,将空间和时间调制激光束引起的软弹性体变形与合成黏液的黏性能力相结合,通过4D打印制造出基于光源驱动的毫米级蜗牛机器人,展示了不同爬行步态,提供了一种光致动下设计运动变形软体机器人的有效手段。ZHAI等[9]开发了一种基于光控制响应LCE的软体机器人,验证了温度梯度和曲率是机器人均匀稳定滚动的2个必要条件。该机器人使用较高的温度参数进行DIW技术4D打印,无需任何其他处理程序便能具有热衍生的无约束滚动能。该管状机器人的整个驱动过程是自动的,无需改变环境因素,完全能在脱离人工控制的情况下完成任务。研究表明这类软体机器人可以根据障碍物的高度超越或改变方向,意味着利用4D打印可以方便地开发具有触觉感知的人工智能机器人。其可应用于货物运输和极端高温环境的智能探索。在另一项研究中[10],研究人员利用直径0.25 mm左右的细小针头进行墨水直写打印,获得液晶介晶取向度高达0.46的打印样品。单层单向打印的液晶弹性体在打印方向可以实现44. 6%的热致收缩,同时在垂直于打印方向会热致膨胀,导致样品变厚变粗。而双层打印的样品在受热时让液晶弹性体的整体形变不再局限于平面内,开始实现多维度的变形。通过设计打印路径,对打印结构进行编程,在实现热致变形之外更进一步地实现了无限制热致运动。完善了软体机器人的自主性和灵活形变性。

通过4D打印LCE制备的软体机器人具有了自感应和环境适应性等功能,其自组装和能够通过外界刺激驱动的优势让软体机器人能够在不同工作环境下做出灵敏反应并灵活行动。近年来,4D打印技术不断优化和改善,也为LCE软体机器人的设计和编程提供了灵活的思路。由此可见,4D打印LCE在软体机器人领域的发展空间十分广阔。

3 液晶弹性体在机器人中的应用

液晶弹性体是用液晶分子的凝聚作为物理交联的新型热塑性弹性体,是一种新兴的柔性致动材料。当加热到各向异性至各向同性转变温度(TNI)以上时,其预对准的介元出现重新定向,并使LCE具有大的各向异性变形,且提供可逆驱动[11]。这极大契合了软体机器人在工作时所需的灵活性和适应性,使其有着广阔的应用前景。根据打印技术的不同,其所制备的LCE性能和应用也不同。WANG等[12]开发了一种可打印的光响应金纳米棒(AuNR)/LCE复合墨水,通过调整DIW打印技术的油墨配方和打印参数,允许AuNR在0.1%(质量分数)的浓度下对打印的LCE细丝进行光热驱动,并将该技术运用在一种新型的光驱动软体机器人中,实现了机器人在局部光致动下的爬坡。SONG[13]等将DIW打印LCE的技术参数进一步优化,在原有基础上添加具有倾斜角度的优化鱼鳞状微观结构,构建了尺蠖式爬行软体机器人,充分利用液晶弹性体的各向异性使其爬行时具有良好的摩擦力,证明了仿生尺蠖机器人的通用性。由此可见,液晶弹性体所制成的柔性驱动器为机器人进行复杂灵活的运动提供了良好的解决方案。

为了进一步拓宽液晶弹性体在软体机器人中的适用范围,在基于传统液晶弹性体的制动器制备方法上,高性能液晶弹性体通过掺入其他材料进行改性,改善了传统液晶弹性体难以制备的缺点和一次性使用难以回收的劣势,让液晶弹性体更加多功能化,并且在可控调节柔性制动器方面得到了广泛应用。LEE等[14]将具有三乙二醇间隔物(TUEG)的二胺官能化的聚醚硫脲作为交联剂掺入LCE中,一方面促进了氢键的形成,强化了系统的热驱动性,软体机器人在热驱动下能够具有稳定的工作性能,可举起重量为其自重660倍的物体,另一方面利用硫脲键可离解的特性实现了材料的回收和处理,并用LCE-TUEG膜焊接构建了一种具有嵌入式电阻丝的电驱动仿真假手,通过焦耳加热的选择性致动,成功地模仿了各种手势。TANG[15]等使用2-甲基-1,4-亚苯基双(4-(3(丙烯酰氧基)丙氧基)苯甲酸酯)(RM257)作为可交联的LC基质,并添加非反应性(4′-戊基-4-联苯腈)(5CB)作为LC溶剂以调节印刷黏度,将功能性纳米填料并入LCE基质,使用DLP技术制备了具有湿度响应能力的各向异性结构,从而达到优良的吸湿驱动和定向变形能力。HUANG等[16]将四苯基乙烯(TPE)和螺吡喃(SP)部分作为可以调节的荧光基团掺入LCE基质中,制造了一种智能软致动器。在UV和可见光的连续照射下,制备出来的光致变色发光和复杂光变形能力的仿生器件应用广泛,并且可以极大程度上模拟生物爬行和变色发光的行为。此外,动态共价化学键的存在让LCE致动器成为一个具有卓越的自修复、重编程、重塑和回收能力的系统,拓展了机器人的多功能性。

综上所述,打印液晶弹性体已在机器人的制备和性能优化方面得到了广泛的使用。但由于打印设备的技术缺陷无法制造出具有刺激响应性的智能材料,且在已有打印技术的参数设置下,制备复杂结构和灵活的机器人较为困难,以上的传统打印技术,极大限制了软体机器人在狭小空间和极端环境下的应用[17]。

4 总结与展望

本文主要介绍了液晶弹性体这一智能响应软材料的发展,简要概括了传统打印技术和4D打印技术LCE所制备的软体机器人在不同领域和不同环境下的应用,及其已经实现的对外界刺激进行响应和自组装的特性。目前,有关4D打印LCE的软体机器人已经取得了许多成果,但是在打印材料的性能增强和打印技术的优化方面仍需改进。特别体现在不同环境中使用的软体机器人制备需要使用不同性能的材料,而由于现有材料可打印性的限制暂时无法实现,打印设备和智能材料的墨水都亟需深度开发,种种因素限制了4D打印LCE技术的发展。此外,现有4D打印LCE软体机器人仅能实现简单的刺激响应,暂时无法投入使用于运输行业、未知探索等实际运用中。因此,优化和开发不同4D打印技术、制备更多高性能液晶弹性体,对LCE软体机器人丰富其智能驱动性、实现更有效的人机交互、运用于不同的工作环境都有着重大的意义。