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  液晶彈性體（LCE）纖維在特定的刺激下可以通過(guò)有序-無(wú)序相變產(chǎn)生大幅度的可逆收縮，并輸出顯著的機(jī)械功，使其成為理想的人造肌肉。在自然界中，人類骨骼肌能以50% s^-1的速度產(chǎn)生40%以上的大幅度收縮，以完成跳躍、踢腿和投擲等激烈運(yùn)動(dòng)。遺憾的是，到目前為止，已報(bào)道的LCE纖維都沒有實(shí)現(xiàn)超高速的大幅度收縮，無(wú)法模仿人類真實(shí)肌肉執(zhí)行劇烈運(yùn)動(dòng)。這主要是因?yàn)闊犴憫?yīng)型LCE纖維由于受到傳播介質(zhì)空氣的低導(dǎo)熱性的限制，一般不能快速加熱，導(dǎo)致收縮緩慢；其次，光響應(yīng)型LCE纖維，由于光的直線傳播，在異質(zhì)光照射下通常表現(xiàn)為彎曲變形，難以產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性的收縮變形。

  為此，清華大學(xué)楊忠強(qiáng)副教授課題組制備了一種含有液態(tài)金屬（LM）的電熱響應(yīng)LCE纖維（LM-LCE纖維），兼具快速、大幅度的可逆形變能力，并能以高功密度和高特征功率對(duì)外輸出功。

圖1. LM-LCE纖維的制備及其在連續(xù)電刺激下的收縮特性。

  該團(tuán)隊(duì)利用滾軸涂覆的方法制備了雙層夾心結(jié)構(gòu)的LM-LCE纖維。LM的導(dǎo)電性賦予LCE電熱響應(yīng)性；其次，LM流體特性降低了對(duì)LCE變形的限制，確保LCE可以自由產(chǎn)生大幅度收縮（ΔL/L₀ ~ 0.4）。LM-LCE纖維經(jīng)過(guò)1000次電循環(huán)后仍保持良好的電熱響應(yīng)性能。

圖2. 電壓值和脈沖時(shí)間對(duì)LM-LCE纖維的收縮率和收縮速率的影響。

  在利用纖維驅(qū)動(dòng)器作為人工肌肉對(duì)外做功時(shí)，希望纖維能提供大的輸出功和高的輸出功率。前者要求纖維產(chǎn)生大的收縮率，而后者則要求高的收縮速率。對(duì)熱響應(yīng)的LCE纖維而言，形變率由纖維所達(dá)到的溫度決定，而形變速率由纖維的升溫速率決定。通過(guò)電熱效應(yīng)操控LM-LCE纖維形變時(shí)，纖維溫度及升溫速率均可通過(guò)改變電刺激的參數(shù)進(jìn)行調(diào)控：通過(guò)調(diào)控電壓，LM-LCE纖維在各個(gè)通電時(shí)間下均可以達(dá)到約43%的最大形變率，與人類骨骼肌的最大收縮率（>40%）相近。在15 V，0.1 s的電壓刺激下，纖維的升溫速率達(dá)到最大，約為562 °C·s^-1，此時(shí)，纖維的平均形變速率也達(dá)到最大，約為284 %·s^-1，是人類骨骼肌收縮速率（>50%·s^-1）的5倍以上。

圖3. 模仿人類肱三頭肌的LM-LCE纖維驅(qū)動(dòng)的精確拋球。

  最后，該團(tuán)隊(duì)展示了LM-LCE纖維作為人工肌肉對(duì)外做功的能力。設(shè)計(jì)了人工手臂以模擬投籃時(shí)肱三頭肌快速收縮做功的過(guò)程：LM-LCE纖維在脈沖電刺激下發(fā)生快速收縮，帶動(dòng)模擬前臂的投射桿將小球加速投出。由于LM-LCE纖維可以通過(guò)調(diào)控電壓及通電時(shí)間發(fā)生可控形變，因此所制備的人工手臂實(shí)現(xiàn)了對(duì)小球拋射速度和距離的精確控制。在這一過(guò)程中，LM-LCE纖維的特征功率可以通過(guò)改變輸入電能實(shí)現(xiàn)在0~367 W·kg^-1的大范圍內(nèi)精確控制，且纖維輸出的最大特征功率超過(guò)了人類骨骼肌（280 W·kg^-1）。LM-LCE纖維在電致形變過(guò)程中能抬起自身重量220倍以上的物體，輸出0.6 MPa的收縮應(yīng)力，并產(chǎn)生最大417 kJ·m^-3的功密度，是人類骨骼肌性能（40 kJ·m^-3）的10倍。

  以上研究成果以《Ultra-Fast, High-Contractile Electrothermal-Driven Liquid Crystal Elastomer Fibers towards Artificial Muscles》為題，發(fā)表在Small上。清華大學(xué)化學(xué)系2020級(jí)孫家豪博士生為第一作者，楊忠強(qiáng)副教授為通訊作者。王云鵬和廖威博士生參與了該研究。以上工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金的資助。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1002/smll.202103700