LCE软机器人登场！热场光控下的多模态运动传奇？

大家好！今天来了解一项液晶弹性体（LCE）软机器人研究——《Multimodal Autonomous Locomotion of Liquid Crystal Elastomer Soft Robot》发表于《Advanced Science》。在机器人技术不断演进的进程中，软机器人虽有潜力但面临诸多挑战。而这款 LCE 软机器人可不一般，它无需复杂外部控制就能实现多模态自主运动，像热场中的滚动、跳跃，光控下的各种灵活动作，它究竟是如何做到的呢？

*本文只做阅读笔记分享*

一、研究背景

在当今科技领域，软机器人的发展备受关注。传统刚性机器人在某些任务执行上存在局限性，而软机器人因其柔软和敏捷的特性，具备完成复杂任务的潜力。软机器人的设计原理多受生物物种启发，其驱动通常源于能对外部刺激响应的软材料，常见的外部控制方式包括冷却-加热、光的开关、电场和磁场等，通过切换这些刺激可实现多模态运动。然而，外部控制虽在很多情况下有益，但也限制了软机器人的自主性。自然界中的自振荡现象，如心跳和海浪，为设计自主移动系统带来灵感，而将自振荡转化为自主运动，是软机器人研究的一个重要方向。我们的研究旨在设计一种既能自主运动，又能通过经典按需控制方法实现多种运动模态的软机器人。

二、LCE的合成与机械训练

1、合成过程

使用四种单体前体合成LCE薄膜，其中包括液晶基元（RM82）、光响应液晶基元（含偶氮苯的二丙烯酸酯）、二硫醇（EDDET）和四硫醇交联剂（PETMP），同时使用三乙胺（TEA）和光引发剂（DMPA）作为催化剂/引发剂，且总硫醇和丙烯酸酯基团的摩尔比固定为0.9。为确保热响应主导，光响应液晶基元保持在热响应液晶基元（RM82）的5%。

热固化触发硫醇-丙烯酸酯迈克尔点击反应，形成轻度交联的LCE网络，随后在UV光下进一步固化剩余丙烯酸酯部分，得到密集交联网络。

2、机械训练步骤

LCE的机械训练在室温下进行，轻度交联的LCE薄膜在UV固化前经历两阶段过程。第一阶段，薄膜单轴拉伸至第一应变（ε1），并在掩膜UV光下固化；第二阶段，样品进一步拉伸至第二应变（ε2），然后在无掩膜的UV光下固化，两个阶段的固化时间均为5分钟。在这过程中，UV固化锁定了机械诱导的液晶基元取向。

训练完成后，得到具有特定取向度和方向的LCE。例如，我们关注ε1为80%、偏移角为45°、条带宽度为10μm的LCE样品，选择ε2为116%以获得最佳驱动性能，此时LCE样品厚度减至0.36mm。非图案化参考样品制备方法相同，但不使用掩膜，其在偏振光学显微镜（POM）图像中显示沿拉伸方向对齐，而图案化样品的两个区域虽也对齐，但方向偏移近45°。

3、参数优化选择

对于双固化网络，定义交联剂含量为四硫醇交联剂与二硫醇的摩尔比（η PETMP/η EDDET）。调整交联剂含量可调节LCE网络性能，交联减少时，LCE的驱动应变增加，但杨氏模量下降；交联剂含量也影响向列相到各向同性相的转变温度（TNI），在80°C至97°C范围内，交联剂含量越高，TNI越高。综合考虑，我们选择交联剂含量为η PETMP/η EDDET = 1/4（TNI:93℃）用于后续实验。

三、热场下的自主运动

1、连续滚动运动机制与现象

当机械训练后的LCE置于120°C热板上时，会表现出自主连续运动，运动方向随机。以一个长40mm、宽1.5mm的扁平矩形LCE薄膜为例，其运动周期包括在1.6s内逐渐向上拱起，然后迅速塌陷并连续两次翻转（均在0.1s内完成），最终回到初始扁平状态但蓝色面朝上，如此循环实现连续自主移动。

这种自持续运动源于热场，热板表面虽设定为固定温度，但周围空气存在温度梯度。LCE接触热板后受热收缩，因底部先受热收缩，导致向上拱起，同时黄色和橙色区域因取向不同收缩方向不同产生内应力，进一步促进拱起。通过有限元分析证实了这一过程，其与实验观察结果一致。当拱起达到临界点时，LCE失去平衡塌陷并翻转移动，循环此过程实现连续运动。无图案化的LCE仅表现出最小的初始拱起，无法实现自持续运动。

2、运动速度优化因素

运动方向虽随机，但连续运动过程中有部分单向运动，我们通过这部分运动确定平均速度。整体运动速度受初始缓慢拱起步骤影响，我们通过改变样品几何形状来优化速度。当样品长度固定为40mm时，改变宽度发现速度先随宽度增加而增加，在宽度为1mm时达到峰值约9.3mms-1，超过此宽度速度下降，这是因为宽样品拱起更容易但更稳定不易塌陷。固定宽度时，样品长度增加速度几乎线性增加，因为更长样品更早失去平衡达到塌陷点。此外，存在临界宽度阈值，超过此宽度LCE仅拱起而不翻转移动，且临界宽度随样品长度增加而增加。

热板表面温度也影响速度，低于110°C时无连续运动，超过此温度速度随温度升高而增加，在135°C达到最大值，之后随温度升高运动变慢，160°C时停止运动。

这与前面提出的机制一致，即温度需超过LCE的TNI才能运动，且LCE上表面温度应足够低于TNI以促进冷却增强的向上拱起，同时LCE在约300°C才开始分解，在110-160°C范围内热稳定，在130°C老化4小时后驱动应变仅轻微下降（从75%到72%）。

3、运动方向控制方法

对于对称矩形样品，其重心在中间，运动方向随机，但几何形状的微小偏差可控制运动方向。例如，将扁平LCE薄膜切成轻微弯曲形状（平面拱形），它会沿拱形方向持续运动；三角形LCE薄膜因几何偏差会做圆周运动，改变三角形形状可实现更紧凑的圆周运动。

四、自主跳跃运动及多运动组合

1、跳跃机制与实现过程

理想的机器人应具备多种按需运动能力，跳跃是一种高能量需求的运动。此前多数跳跃机器人需改变刺激条件来诱导跳跃，自主跳跃机器人少见，且尚无能执行多种运动的自主机器人。我们推测通过操纵能量积累可使LCE实现跳跃，例如在拱起运动前施加合适约束，通过调节LCE与热板间的粘附力（将LCE置于粘性表面）可实现此约束。

制作了轴对称条带结构并置于涂有粘性硅油的热板上，LCE成功实现抛物线跳跃，跳跃在0.24s内完成，最大起飞速度和跳跃高度分别接近0.8ms-1和45mm。

通过有限元分析验证了跳跃过程的理论模型，与我们提出的机制一致。理论上LCE可重复跳跃，但实际中因跳跃时在空中停留时间短（约0.2s），无法通过自然冷却完全恢复到初始状态，导致每次跳跃后获得的能量减少，跳跃高度逐次降低，六次跳跃后失去跳跃能力。

不过，若能延长在空中时间（如使用能产生更高驱动应力的LCE实现更高初始跳跃），可改善连续跳跃性能，甚至实现无尽跳跃。在当前系统中，完成一个自主循环后，将LCE从热板上取下在环境条件下完全冷却，可恢复跳跃能力，同一LCE样品的十次跳跃循环实验表明其每次循环都能重复跳跃，尽管跳跃性能有一定变化。

2、多运动组合演示

为证明滚动和跳跃运动可在自主循环中组合，我们制作了平面拱形LCE（40mm×1mm×0.36mm）并置于热板特定区域（“起飞线”涂有硅油）。当LCE机器人滚动到起飞线时，像跳远运动员一样向前跳跃，之后继续像跑步者一样滚动。此外，直接将LCE置于起飞线时，它还能实现“跳跃-跳跃-跑步”的运动。

五、光控多模态自主运动

1、光控运动演示与效果

利用LCE的光响应特性（源于偶氮苯部分）将其从单运动扩展到多模态运动。以平面拱形LCE样品（40mm×1mm×0.36mm）为例，当光照射在拱形侧面中点约1s后，LCE在光移除后开始反向连续运动，类似汽车倒车；当光从上方完全照射时，移动的LCE“汽车”会停止，光关闭后再次移动；光从拱形背面照射或沿长轴扫过样品时，LCE分别表现出减速和转弯动作。若光在一端连续照射4-5s，LCE会出现滞后现象，即使光关闭后仍保持圆周运动约15s，然后恢复直线运动，这些复杂运动仅需简单短暂的光刺激，就像遥控汽车接收指令一样。

2、运动机制与应用场景

上述多模态运动源于偶氮苯单元的反式-顺式异构化引起的局部LCE收缩，此过程以高度可控方式“干扰”了LCE的自然热响应。在短光暴露时间（5s内），光热效应可忽略，因为即使延长光暴露60s也仅产生约2-3°C的轻微温度升高。光关闭后，在高温下反式迅速恢复为顺式，LCE恢复原始运动，但光诱导异构化程度足够高时，顺式-反式异构化不会立即发生，导致LCE行为滞后。

我们的LCE软机器人的光控自主运动可执行复杂功能，例如将LCE切成梯形置于热板上，其因几何不对称自然做圆周运动，可绕过第一个障碍物，前端短暂光照后可转身绕过第二个障碍物，重复类似步骤可实现类似数字“8”的复杂轨迹。

光控自主运动不仅在空气环境中有效，在水（20mm深度）环境中，软机器人仍能在热板上实现自持续连续运动，尽管速度因水的阻力和/或温度梯度差异而降低，但不影响远程光触发效果。此外，我们还展示了类似昆虫趋热性的行为，将LCE置于带有非加热圆形中心的热板上，LCE在热板上随机运动后最终被困在冷边界，被困的LCE可通过光释放，使其远离中心冷陷阱。

六、研究总结与展望

我们的LCE机器人通过简单工艺制造，在热场中能实现自主连续滚动运动，这源于梯度热场与形状变化间的反馈回路及能量积累。当能量积累足够时，可从滚动可逆地转换为跳跃。此外，LCE的光响应特性提供了独特的门控控制，结合热驱动自主运动，通过实时光控制可实现多种复杂运动功能，如围绕障碍物移动、模仿昆虫趋热行为等。然而，我们的LCE机器人也存在一些不足，例如需要高温（高于110°C）操作，驱动受传热限制，光控运动模式需手动切换。未来的研究方向可聚焦于降低驱动温度，例如通过调整LCE的来实现，同时提高传热效率以加快运动速度。此外，可增强反式-顺式异构化动力学的滞后性，使光中断的运动能持续更长时间，从而进一步扩展机器人的多功能性，为未来软机器人设计提供更有吸引力的解决方案。

七、一起来做做题吧

1、软机器人的设计原理主要受什么影响？

A. 物理定律

B. 化学合成

C. 生物物种

D. 数学模型

2、在 LCE 的合成中，光响应液晶基元占热响应液晶基元（RM82）的比例是多少？

A. 10%

B. 5%

C. 15%

D. 20%

3、LCE 在热板上运动时，以下哪个因素不会影响其运动速度？