浙江大学《自然·通讯》：新型“变形驱动”策略，推动软体机器人发展

液晶弹性体（LCE）驱动器因其轻量化、高应变和快速响应特性，在生物医疗、环境探测等领域备受关注。然而，其有效驱动依赖于介晶排列的精确编程与几何形状设计。传统编程方法（如表面锚定、电磁场调控、机械拉伸等）受限于几何依赖性：光固化存在阴影区域无法固化，热固化需持续外力固定形状，剪切挤出则同步限制形状与排列设计。这些局限性严重阻碍了复杂结构LCE驱动器的开发。浙江大学谢涛教授郑宁教授团队提出一种基于自由基扩散的“变形驱动”策略，突破了几何形状对LCE驱动器的制约。该方法仅需将LCE浸泡于过硫酸铵（APS）水溶液中，自由基即可自发渗透网络并引发残留丙烯酸酯交联，固定变形结构与介晶排列。该过程无需外力维持、加热或光照，适用于3D打印、折纸、模塑等任意复杂几何结构，实现了高稳定性（140℃下循环稳定）和可逆驱动应变（最高达110%）。相关论文以“Geometrically insensitive deform-and-go liquid crystal elastomer actuators through controlled radical diffusion”为题，发表在

技术原理与验证

图1揭示了传统方法与新策略的差异：光固化受阴影区限制（图1a），热固化需夹具维持拉伸（图1a）；而新方法通过折叠LCE并浸泡APS溶液（图1b），自由基扩散触发残留丙烯酸酯交联（图1d），永久锁定折痕处的介晶取向（图1c）。实验证明，含丙烯酸酯的LCE（如RM82单体）是实现该过程的关键（图1e）。

图1 | 自由基扩散实现的LCE排列与驱动 (a) 传统排列固定方法：光固化受几何结构阴影区限制；热固化需夹具维持外力。 (b) 本工作通过可控自由基扩散固定排列的流程。 (c) 介晶排列机制的网格示意图。 (d) 丙烯酸酯自由基聚合反应式。 (e) 可用LCE组分（液晶单体、间隔基、交联剂及硫醇-丙烯酸酯/烯烃体系）。

图2通过水凝胶自由基监测系统验证扩散机制：APS溶液滴加于LCE薄膜后，硫酸根自由基穿透材料，使含木犀草素钠盐（XO）和Fe²⁺的指示剂由橙变紫（图2a-b）。FTIR光谱显示浸泡后丙烯酸酯双键特征峰（811 cm⁻¹和1637 cm⁻¹）消失（图2d-e），证实自由基引发交联（图2c）。

图2 | 自由基扩散与反应机制 (a) 自由基扩散监测示意图：硫酸根自由基（SO₄⁻）将Fe²⁺氧化为Fe³⁺，与木犀草素（XO）形成紫色复合物。 (b) 自由基扩散结果（随时间推移出现紫色斑点）。 (c) 添加APS溶液前后LCE前体状态（左：液态；右：凝胶化）。 (d-e) LCE薄膜浸泡APS前后的FTIR光谱（双键特征峰消失）。

驱动性能优化

图3量化了驱动性能：经APS处理的单轴拉伸LCE薄膜（预应变120%）表现出110%可逆应变（图3a），远优于去离子水对照组。WAXD和偏光显微镜证实驱动源于各向异性排列（图3c-d）。APS浓度存在最优值（4 wt%），浓度过高会因氧气生成降低效率（图3e）；交联密度也需平衡，EDDET/PETMP摩尔比为4时驱动应变最佳（图3f）。增加残留丙烯酸酯可缩短浸泡时间至1小时（图3g），预拉伸应变与驱动应变成正相关（图3h-i）。

图3 | LCE驱动性能 (a) APS溶液与去离子水处理的LCE驱动应变对比。 (b) 加热/冷却循环下的可逆驱动行为。 (c) 编程前后WAXD图案（各向同性环→各向异性弧）。 (d) 排列LCE的偏光显微镜图像。 (e) 驱动应变与APS浓度/浸泡时间的关系。 (f) 驱动应变随交联剂含量与浸泡时间的变化。 (g) 残留丙烯酸酯含量对驱动应变的影响。 (h-i) 驱动应变与浸泡时间（h）、预拉伸应变（i）的关系。

复杂结构制造

图4展示了多工艺兼容性：DLP 3D打印的章鱼结构（图4b-c）、模塑成型的鳄鱼/海星（图4d）、压印定制的可视化图案（图4e）经APS浸泡后均实现稳定热驱动。图5进一步将LCE应用于折纸艺术：Square-Twist折纸（图5a-b）通过弯曲自由度存储弹性能，实现稳定折叠；千纸鹤与飞机（图5c）可逆展平与立体变形；多层折叠的虾蛾结构（图5d-e）甚至实现3D-3D形态转换，突破现有编程极限。

图4 | LCE 3D结构的制造与编程 (a) DLP 3D打印装置及LCE树脂配方（含光引发剂Irgacure 819）。 (b) 3D打印章鱼的编程与驱动行为。 (c) 打印物体的可逆驱动（浸泡24小时）。 (d) 模塑成型3D结构的驱动（箭头示拉伸方向）。 (e) 压印技术实现的可视化图案可逆切换（浸泡4小时）。

图5 | LCE折纸 (a) 由方形/菱形面板构成的Square-Twist折纸折叠过程。 (b) 不同折纸图案的设计与驱动行为。 (c) 千纸鹤/飞机的2D-3D可逆转换。 (d) 多层折叠的虾/蛾结构。 (e) 虾/蛾的3D-3D可逆形变（白箭头示驱动方向）。

应用前景

该技术通过水溶液自由基扩散实现LCE几何不敏感编程，为软体机器人设计开辟新路径。未来可通过调控扩散动力学设计空间异质介晶排列，进一步提升驱动复杂性。工业应用中可采用环保型过氧化氢替代APS，结合实时监测确保大规模生产稳定性。该方法普适于多数丙烯酸酯LCE体系，有望推动驱动器与软体机器人的规模化定制。

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