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(tǒng)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(tài)環(huán)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(fā)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(fā)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(zhàn)。
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(fā)的熔融紡絲技術連續(xù)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(xù)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(huán)：正針（knit loop）和反針（purl loop）。在形成針織環(huán)后，LCE纖維發(fā)生三維形變，導致針織環(huán)結構中存在內部扭矩。這兩種針織環(huán)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(huán)組成的平針組織LCE驅動器，多個針織環(huán)的扭矩相互疊加，導致該驅動器在室溫下發(fā)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(huán)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(fā)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(fā)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(fā)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(fā)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(fā)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(yè)應用歷史。因此，如能進一步匹配工業(yè)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(fā)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(huán)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(fā)的熔融紡絲技術連續(xù)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(xù)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(huán)：正針（knit loop）和反針（purl loop）。在形成針織環(huán)后，LCE纖維發(fā)生三維形變，導致針織環(huán)結構中存在內部扭矩。這兩種針織環(huán)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(huán)組成的平針組織LCE驅動器，多個針織環(huán)的扭矩相互疊加，導致該驅動器在室溫下發(fā)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(huán)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(fā)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(fā)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(fā)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(fā)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(fā)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(yè)應用歷史。因此，如能進一步匹配工業(yè)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(fā)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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