清華大學楊忠強課題組：首次提出基于針織技術增材制造LCE驅動器
時間：2023-07-27 10:11 來源：高分子科技 作者：admin 閱讀：次
柔性驅動器具有柔性和適應性，相較于傳統的剛性驅動器能夠更好地與脆弱物體或生物體進行安全交互，適應復雜的動態環境。在眾多用于構筑柔性驅動器的智能材料中，液晶彈性體（LCE）因其能夠在外部刺激下發生取向變化，產生大幅度可逆形變而引人關注。LCE獨特的形變能力取決于液晶基元的特定取向。近年來發展的增材制造技術對LCE驅動器的形變能力和幾何形狀提供了高度的控制。然而，目前應用的增材制造方法通常引入化學交聯來固定化學網絡，一旦成型難以二次加工和回收利用。如何制備具有特定三維形變能力且可完全回收的LCE驅動器仍具挑戰。
為此，清華大學化學系楊忠強課題組首次提出了基于針織技術增材制造LCE驅動器的策略。
該課題組首先利用前期工作中開發的熔融紡絲技術連續制備了沿纖維長軸取向的LCE纖維，隨后通過商用針織機加工成含有不同針織組織的LCE織物。此外，由于針織結構由單根連續纖維通過物理纏結組成，LCE驅動器可以被拆解，并重新針織成其他結構，實現反復加工和回收利用。
針織結構LCE驅動器基本的結構單元是兩種針織環：正針（knit loop）和反針（purl loop）。在形成針織環后，LCE纖維發生三維形變，導致針織環結構中存在內部扭矩。這兩種針織環可以進一步組合為具有不同結構的針織組織，并調控織物結構中的扭矩。
對于由單一種類的針織環組成的平針組織LCE驅動器，多個針織環的扭矩相互疊加，導致該驅動器在室溫下發生馬鞍形的雙向彎曲。在熱刺激下，LCE纖維收縮，導致扭矩增大，LCE驅動器在兩個方向上進一步彎曲。
對于由正針與反針交替組成的羅紋組織LCE驅動器，相鄰針織環的扭矩因方向相反而相互抵消，導致羅紋組織LCE驅動器在室溫下為平面形，不發生面外彎曲。在熱刺激下，羅紋組織的LCE驅動器會因LCE纖維的收縮而發生面內收縮。
利用平針組織提供面外彎曲形變所需的扭矩，并通過羅紋組織對特定方向上的彎曲進行分隔并限制，可以控制LCE驅動器產生特定方向的彎曲。例如，沿經線方向依次排布羅紋-平針-羅紋組織，可以使LCE驅動器在室溫下沿經線方向向前彎曲（α0）。而如果在緯線方向依次排布羅紋-平針-羅紋組織，則可以誘導針織結構LCE驅動器沿緯線方向向后彎曲（α0）。這兩種形變均可在熱刺激下發生進一步彎曲（α）。通過合理設計兩種針織組織的位置和尺寸，可以精確控制LCE驅動器彎曲位置、方向和角度。
進一步，將兩種針織組織沿著更復雜的路徑進行組合，則可以賦予LCE驅動器更豐富的形變能力。例如，將多個斜向排列的平針組織平行分布在羅紋組織中，所制備的LCE驅動器可以在熱刺激下發生螺旋形扭曲。而將多個不同方向排列的平針組織以特定路徑排布在羅紋組織中，所制備的LCE驅動器可以在熱刺激下以平針組織作為折痕發生折紙形變。理論上，通過對驅動器針織結構的理性設計，可以對螺旋形變的彎曲角度、手性、螺距，折疊的方向和程度等參數進行定量控制。
最后，通過其他針織技法及織物加工技術，還可以對針織結構LCE驅動器的結構與功能進行進一步的調控。例如，通過加減針可以制備梭形結構的LCE花瓣。通過穿入電熱絲可以賦予LCE花瓣電熱形變性能。將四片LCE花瓣縫合，可以獲得一朵具有更復雜結構與形變能力的LCE花。在不同的電刺激控制下，多片LCE花瓣可以同時驅動或單獨驅動，導致LCE花產生不同模式的開合。
相較于其他LCE取向成型技術，針織技術有著成熟的工業應用歷史。因此，如能進一步匹配工業針織技術的相關參數和需求，有望批量制備具有特定幾何形狀和可控形變能力的LCE驅動器。此外，針織結構LCE驅動器的多孔結構和軟彈性可以提供更舒適的人機交互體驗。通過與其他功能纖維和智能織物結合，針織結構LCE驅動器有望作為一個可形變的、具有高集成度的可穿戴平臺，應用于運動輔助、人機交互等領域。
相關成果“Additive manufacturing of liquid crystal elastomer actuators based on knitting technology”發表于Advanced Materials（DOI: 10.1002/adma.202302706）。清華大學為第一完成單位，第一作者是清華大學化學系2020級博士生孫家豪，論文通訊作者是楊忠強副教授。以上工作得到國家自然科學基金和清華大學篤實基金的資助。
圖片
論文截圖
參考文獻
https://doi.org/10.1002/adma.202302706
為此，清華大學化學系楊忠強課題組首次提出了基于針織技術增材制造LCE驅動器的策略。
圖1. （a）針織結構LCE驅動器的制備、拆解、再針織過程；（b）正針及（c）反針LCE針織環的結構及內部扭矩（藍色箭頭）示意圖。
該課題組首先利用前期工作中開發的熔融紡絲技術連續制備了沿纖維長軸取向的LCE纖維，隨后通過商用針織機加工成含有不同針織組織的LCE織物。此外，由于針織結構由單根連續纖維通過物理纏結組成，LCE驅動器可以被拆解，并重新針織成其他結構，實現反復加工和回收利用。
針織結構LCE驅動器基本的結構單元是兩種針織環：正針（knit loop）和反針（purl loop）。在形成針織環后，LCE纖維發生三維形變，導致針織環結構中存在內部扭矩。這兩種針織環可以進一步組合為具有不同結構的針織組織，并調控織物結構中的扭矩。
圖2. 平針及羅紋組織LCE驅動器的結構
對于由單一種類的針織環組成的平針組織LCE驅動器，多個針織環的扭矩相互疊加，導致該驅動器在室溫下發生馬鞍形的雙向彎曲。在熱刺激下，LCE纖維收縮，導致扭矩增大，LCE驅動器在兩個方向上進一步彎曲。
對于由正針與反針交替組成的羅紋組織LCE驅動器，相鄰針織環的扭矩因方向相反而相互抵消，導致羅紋組織LCE驅動器在室溫下為平面形，不發生面外彎曲。在熱刺激下，羅紋組織的LCE驅動器會因LCE纖維的收縮而發生面內收縮。
圖3. 通過針織組織的模塊組合構筑具有定量可控形變模式的LCE驅動器。
利用平針組織提供面外彎曲形變所需的扭矩，并通過羅紋組織對特定方向上的彎曲進行分隔并限制，可以控制LCE驅動器產生特定方向的彎曲。例如，沿經線方向依次排布羅紋-平針-羅紋組織，可以使LCE驅動器在室溫下沿經線方向向前彎曲（α0）。而如果在緯線方向依次排布羅紋-平針-羅紋組織，則可以誘導針織結構LCE驅動器沿緯線方向向后彎曲（α0）。這兩種形變均可在熱刺激下發生進一步彎曲（α）。通過合理設計兩種針織組織的位置和尺寸，可以精確控制LCE驅動器彎曲位置、方向和角度。
圖4. （A-D）模塊化構筑具有復雜形變模式的LCE驅動器。（E-G）通過多種織物加工技術實現LCE驅動器結構與功能的拓展。
進一步，將兩種針織組織沿著更復雜的路徑進行組合，則可以賦予LCE驅動器更豐富的形變能力。例如，將多個斜向排列的平針組織平行分布在羅紋組織中，所制備的LCE驅動器可以在熱刺激下發生螺旋形扭曲。而將多個不同方向排列的平針組織以特定路徑排布在羅紋組織中，所制備的LCE驅動器可以在熱刺激下以平針組織作為折痕發生折紙形變。理論上，通過對驅動器針織結構的理性設計，可以對螺旋形變的彎曲角度、手性、螺距，折疊的方向和程度等參數進行定量控制。
最后，通過其他針織技法及織物加工技術，還可以對針織結構LCE驅動器的結構與功能進行進一步的調控。例如，通過加減針可以制備梭形結構的LCE花瓣。通過穿入電熱絲可以賦予LCE花瓣電熱形變性能。將四片LCE花瓣縫合，可以獲得一朵具有更復雜結構與形變能力的LCE花。在不同的電刺激控制下，多片LCE花瓣可以同時驅動或單獨驅動，導致LCE花產生不同模式的開合。
相較于其他LCE取向成型技術，針織技術有著成熟的工業應用歷史。因此，如能進一步匹配工業針織技術的相關參數和需求，有望批量制備具有特定幾何形狀和可控形變能力的LCE驅動器。此外，針織結構LCE驅動器的多孔結構和軟彈性可以提供更舒適的人機交互體驗。通過與其他功能纖維和智能織物結合，針織結構LCE驅動器有望作為一個可形變的、具有高集成度的可穿戴平臺，應用于運動輔助、人機交互等領域。
相關成果“Additive manufacturing of liquid crystal elastomer actuators based on knitting technology”發表于Advanced Materials（DOI: 10.1002/adma.202302706）。清華大學為第一完成單位，第一作者是清華大學化學系2020級博士生孫家豪，論文通訊作者是楊忠強副教授。以上工作得到國家自然科學基金和清華大學篤實基金的資助。
圖片
論文截圖
參考文獻
https://doi.org/10.1002/adma.202302706
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