“2003 年我在劍橋化學系讀博士，當時課題是利用微納加工技術將液晶取向進行限域，制備微納米制動器。所以，我對液晶材料的研究從那時就開始了。”清華大學化學系副教授楊忠強說

據悉，楊忠強的科研之路并非一帆風順，近 20 年的科研生涯中，她也做過 DNA、蛋白結晶以及界面水滴的研究。雖然課題內容不同，但在液晶材料相關的研究從未間斷，這離不開清華大學化學系和基金委給予科研人員探索的空間和自由。

楊忠強團隊目前主要研究領域集中在液晶彈性體纖維（Liquid Crystal Elastomer，LCE ）的制備及其功能化。相較于 LCE 薄膜已經有 40 余年的研究歷史，纖維結構的研究相對較少。在 LCE 纖維制備方面，保證液晶延長軸取向是確保纖維具有響應性的關鍵點，也是制備的難點。

傳統方法包括最早的熔融拉絲法和近幾年發展的模板法、直書打印法。目前，這些方法仍然存在制備纖維尺寸有限或者工藝過程繁瑣、截面異形、重復性較差等問題，而對于制備中空結構的 LCE 纖維參考價值不是很高。

在 LCE 纖維功能化方面，如何實現電控的 LCE 纖維一直是該領域致力解決的問題。有的課題組嘗試將具有電熱效應的硬質材料，諸如銀納米線、碳材料等引入 LCE 纖維。但是，由于材料模量不匹配，導致 LCE 的形變能力和耐用性下降。

為了突破這個瓶頸，該團隊選取了液態金屬作為導電介質進行電熱驅動，其良好的流動性還可以減少對 LCE 形變的限制，這個策略目前看來是合適且有效的。

11 月 5 日，相關論文以《基于簡單設計集成傳感與驅動功能的纖維在智能軟機器人中的應用》（The Integration of Sensing and Actuating based on a Simple Design Fiber Actuator towards Intelligent Soft Robots）為題發表在Advanced Materials Technologies上，清華大學化學系博士研究生廖威為該論文第一作者，由楊忠強副教授擔任通訊作者[1]。

結合柔性機器人對于驅動和傳感功能的需求，針對目前集成傳感功能的纖維驅動器，在制備和結構復雜上的短板，該團隊開發出易制備、結構簡單，集成傳感和驅動功能為一體的液晶彈性體-液態金屬（Liquid Crystal Elastomer -Liquid Metal，LCE -LM）同軸纖維。

開發重力輔助的熔融紡絲法

LCE -LM 同軸纖維制備過程中，最關鍵部分是如何獲得長軸取向的 LCE 中空纖維，這是現有的 LCE 纖維制備技術難以實現的。

為此，該團隊采用重力輔助的熔融紡絲法，以水為內芯，熔融 LCE 寡聚物為外層，在同軸針頭擠出時，LCE 受重力作用自然下落拉伸。同時，施加紫外光交聯固定取向，可實現纖維的一次成型。隨后，將水芯干燥后灌注液態金屬，即可獲得 LCE -LM 同軸纖維。

這種重力輔助熔融紡絲法，使得有長軸取向 LCE 纖維連續制備成為現實；同時，由于其采用了重力輔助的拉伸取向方法，一定程度上簡化了傳統熔融紡絲部分牽引和拉伸系統，更便于工業化的快速生產，擁有良好的商業前景。

值得關注的是，早期的研究利用烘箱、烘槍等提供加熱環境，由于空氣導熱性差，導致驅動慢且不易控制。相比之下，電熱驅動更加便捷、精準、可控性強。

此外，以往業界所用的體系通過引入金屬電熱絲或者碳材料作為產熱部分。由于這些硬質材料的力學強度與 LCE 不匹配，所以，限制了 LCE 形變。

而液態金屬的選擇則巧妙的解決了這個問題，由于它室溫下是液態，能在形變過程中完全適應孔道的變化。所以，最大程度地保留了 LCE 本征形變性能，該團隊所開發的 LCE -LM 同軸纖維體系，在熱或電刺激下，其最大收縮率能達到 40%。

相較于記憶合金，LCE 擁有更大的響應形變率，同時也更加柔軟，使其在人工肌肉、柔性機器人方面有良好的應用前景。

將傳感與驅動一體化

作為同軸纖維內芯的液態金屬具有良好的導電性和流動性，在通電過程中，液態金屬會產生電熱效應，驅動液晶彈性體形變；其次，當外部 LCE 纖維發生形變時，內部的液態金屬又能不斷適應這種形狀變化，維持內部通道的連通性和導電性；最后，通過觀測液態金屬電阻的變化來感知纖維的應變。

基于以上機理，可實現 LCE -LM 同軸纖維集成驅動與傳感一體化。

該團隊還對 LCE -LM 同軸纖維進行了 100 次負重傳感測試和 5000 次驅動和運動傳感后，仍體現出良好的穩定性能。值得一提的是，在此類纖維中，液態金屬自身所具備的特點可以克服多種材料復合最容易發生的界面問題和加熱材料損壞的難題

同時，根據已有的研究信息，LCE 穩定的熱響應循環性能達到 10 萬次以上，所以該團隊該團隊推測 LCE -LM 耐用性在相當量級。由于目前該領域中的工作還很少，結合該團隊的了解，其耐用性能在這些工作中能名列前茅。

克服挑戰制備全柔性三臂 Delta 分揀機器人

科學研究的終極目標之一是“應用”，解決社會中迫切需要的難題。在研究初期，該團隊調研了 Delta 機器人及其用途，對其驅動原理和分揀物體等比較了解。

該團隊發現，傳統的 Delta 分揀機器人不僅需要成套的運動設備完成物體的搬運，還需要依靠大量的傳感器或者復雜的視覺識別系統感知待分選物體種類和機器臂的運動情況。

基于此痛點，該團隊將 Delta 機器人核心驅動臂簡化為 LCE -LM 纖維，構成柔性 Delta 機器人的基礎，作為“動”的部分。利用 Delta 機器人分揀物體，能更好的體現出其質量傳感和運動傳感的“感”特點。所以，該團隊選用了全柔性的三臂 Delta 分揀機器人這樣的形式來集中展示這種多功能纖維的優勢。

楊忠強團隊開發出的全柔性三臂 Delta 分揀機器人，其手臂集成傳感與驅動的功能不僅能通過電阻傳感物體質量以期進行分選，還能通過電流控制每根纖維的收縮與舒張從而調節物體的空間位置，實現搬運。

與此同時，通過全柔性三臂 Delta 分揀機器人這種“自感知”可以幫助操控者判斷纖維是否處于正常工作狀態，以及判斷手臂的具體運動狀態。

廖威表示：“該工作最大的挑戰應該是全柔性手臂雖然能帶來傳感的性能，但是注定其不會像傳統機器人一樣，在負載情況下擁有良好的穩定性。我們最初設想的精確控制等功能受制于時間和技術的問題，最終未能完全實現，我們后續會繼續關注這個問題的解決。

目前，基于 LCE -LM 的 Delta 機器人還只是原型機，其最大需要優化的是提升控制的精密度和反饋的準確性，特別是閉環控制系統的形成。關于這點，該團隊在最新發表的論文中也有所涉及并探討了解決以上工程問題的方案。

編織功能性織物以及構筑柔性機器人加快商業化

該團隊所制備的 LCE -LM 同軸纖維在檢測、人工肌肉和柔性機器人方面會有潛在的應用。

比如在柔性機器人的便攜化和小型化上，由于纖維的直徑只有 400μm，其驅動單元尺寸可以制作的十分微小，這是傳統的電機馬達所難以實現的。同時該纖維又兼具較大的形變率和電驅動控制的性能，這些優點使得其在毫米級別的機器人驅動上是十分有利的競爭者。

再比如將其作為構筑單元，編織出具有響應驅動性能的功能織物。這種智能織物，在變大后方便使用者穿著，著身后又能縮小到合適的尺寸；或是能在人需要運動的時候，通過特定控制的收縮提供類似未來科幻電影中士兵身上外骨骼的輔助能力等。

LCE -LM 同軸纖維擁有廣袤的潛在應用場景，如果能真實在某一個領域落地，所帶來的影響都是顯著的。

在疫情居家隔離期間，廖威自學如何搭建紡絲設備，購買各種零件，等到清華 2020 年 8 月可以返校的時候，他很快開發出重力輔助的熔融紡絲技術。有了這樣的技術平臺，該團隊可以快速地、大量地制備尺寸可控的實心或空心 LCE 纖維，并開展相關研究。

特別是現在，該團隊提供了更加便利的制備加工方法、更加豐富功能的 LCE 纖維，其影響力也會隨著大眾的了解不斷擴大，商業化過程也會更加順利。

未來，該團隊將聚焦開發性能優異、功能多樣的 LCE 纖維，以其為構筑單元，編織功能性織物以及構筑柔性機器人。

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