文章导读
液晶弹性体在一种由液晶基元通过高分子网络连接在一起的智能软材料，兼具液晶的各向异性和高分子网络的弹性。在外界条件变化的情况下，液晶弹性体能够发生可逆形变，具有变形能力大、响应速度快、各向异性收缩等特点，在软体机器人、触觉感知系统、变形机构方面具有广泛的应用前景。然而，大部分液晶弹性体都是通过加热冷却循环进行驱动，限制了在实际生活中的应用。
近期，航天材料及工艺技术研究所孙建波博士、哈工大深圳梁旭东教授和北京航空航天大学王志坚教授合作团队在International Journal of Smart and Nano Materials上发表题为“Liquid crystal elastomer composites for soft actuators”的综述文章，介绍了如何引入功能填料制备响应条件多样的液晶弹性体复合材料，讨论了不同响应条件的优势和限制，展示了液晶弹性体复合材料的一些应用实例，并对液晶弹性体复合材料领域的挑战和机遇进行了总结和展望。
引用：
Sun, J., Wang, C., Liu, Y., Liang, X., & Wang, Z. (2023). Liquid crystal elastomer composites for soft actuators. International Journal of Smart and Nano Materials, 14(4), 440–459. https://doi.org/10.1080/19475411.2023.2251926
文章内容
液晶弹性体是一种由液晶基元通过高分子网络将液晶基元连接在一起得到的智能材料。在外界条件变化的情况下，液晶基元能够发生从液晶相向各向同性态的转变，在此过程中往往伴随着宏观的形状变化。液晶弹性体具有变形能力强、各向异性收缩、具有可逆形变的特点。但是目前易于制备的液晶弹性体大多数都是加热控制的。引入功能化填料，可以制备响应条件多样的液晶弹性体复合材料，拓展其应用范围。因此，基于液晶弹性体复合材料的软体驱动器的研究具有重要的意义。
图1. 液晶弹性体的致动机理。在单畴态液晶弹性体中，液晶基元沿着一个方向取向，在加热冷却过程中能够发生可逆的致动形变，然而在多畴态液晶弹性体中，各个畴区之间的取向呈无规排列，在加热冷却过程中虽然能够发生可逆相变，但是并不表现出宏观形变。
图2. 制备电热型液晶弹性体常见的方法
图3. 掺杂碳纳米管的液晶弹性体复合材料在光热条件下的响应性能
图4. 利用聚多巴胺进行表面修饰的液晶弹性体复合材料的光热响应性能
图5. 几种典型的引入液晶弹性体复合材料的光热试剂的化学结构和响应波长
图6. 电热型液晶弹性体复合材料在触觉感知系统和软体驱动器方面的应用
图7. 液态金属-液晶弹性体复合材料的制备与应用
表1. 液晶弹性体复合材料的驱动方式、变形模式与优缺点比较
尽管基于液晶弹性体复合材料的软体驱动器得到了实质性的拓展并在软体机器人和其他智能结构的设计构建方面取得了重要进展，但是仍然存在一些重要的问题继续进一步解决，包括：
（1）模量的调控。现有的液晶弹性体模量在兆帕级别，而应用端的需求更加复杂多变。如何根据应用场景的需求，调控液晶弹性体复合材料的模量和致动性能，满足实际应用需求。
（2）响应速度。相较于其他智能材料来说，大多数的液晶弹性体复合材料通过加热和冷却进行驱动，其响应速度取决于热扩散的速率。一般来说液晶弹性体复合材料回复在秒至分钟的量级。开发新型响应快速的液晶弹性体复合材料是其作为驱动器应用来说一个至关重要的问题。
（3）制备方法问题。制备液晶弹性体复合材料软体驱动器一般涉及两个步骤，一个是液晶基元的取向，二是高分子网络的形成，制备方法大体可以分为一步聚合法、两步聚合法和动态共价键法。现有的液晶弹性体复合材料制备过程相对复杂，可控性差。开发成熟可靠的液晶弹性体复合材料制备工艺是其走向大规模应用的前体。
（4）变形的可预测性。作为软体驱动器来说液晶弹性体复合材料的变形能力和外界条件之间的准确关系是液晶弹性体复合材料能够作为软体驱动器的前提。但是液晶弹性体响应非线性，难以预测，建立可靠的理论模型有利于软体驱动器功能的实现。
（5）目标变形和液晶基元取向图案之间的关系。在实际应用中往往是期待得到某个特定的三维图案，建立从三维图案到二维取向之间的反问题的求解方法有助于液晶弹性体复合材料的加工与控制。
航天材料及工艺技术研究所孙建波为第一作者，哈工大梁旭东教授和北航王志坚教授为通讯作者。
课题组简介
王志坚，男，准聘教授，博士生导师。2010年和2015年于北京大学化学与分子工程学院高分子科学与工程系获得学士和博士学位，2015-2020年在美国加州大学圣地亚哥分校机械与航空工程系从事博士后研究工作。2020年受聘为北京航空航天大学材料科学与工程学院准聘教授，获得国家级青年人才项目资助。从事智能高分子材料的设计制备、先进制造及相关应用研究，先后主持国家自然科学基金青年项目，北京市自然科学基金面上项目等项目。在Advanced Materials, Science Advances, Science Robotics等国际高水平期刊发表论文50余篇，引用2000余次，并受邀担任《Frontiers in Robotics and AI》专刊客座编辑。
梁旭东，哈尔滨工业大学，教授，博士生导师，国家优秀青年基金获得者。主要研究方向是软材料与仿生力学，围绕智能软材料的动态力学行为与致动机理、新型力学超材料与软体结构设计、软体动物神经-肌肉多层级运动机理以及仿生软体机器人与集群智能行为四方面展开研究。我们尝试结合材料力学、软物质力学与统计力学等学科的研究方法，综合采用理论建模、模拟仿真与试验测试等手段开展研究，相关成果已发表在Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), Journal of the Mechanics and Physics of Solids (JMPS), Physical Review Letters (PRL), International Journal of Solids and Structures (IJSS)等固体力学与物理学的国际知名期刊。
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期刊介绍
International Journal of Smart and Nano Materials
名誉主编：
杜善义 院士，哈尔滨工业大学
Ken P. Chong 教授，华盛顿大学
主编：
冷劲松 院士，哈尔滨工业大学
International Journal of Smart and Nano Materials是哈尔滨工业大学和Taylor & Francis集团合作出版的开放获英文期刊，拥有由知名学者组成的国际化编委团队。IJSNM 被Science Citation Index数据库收录，2022年影响因子为3.9。
IJSNM主要发表国内外智能材料、智能结构力学与设计、多功能纳米材料等领域的最新研究成果和前沿进展，涵盖智能材料与结构、多功能纳米复合材料、4D打印技术、仿生结构、柔性机器人、传感器、结构健康监测等领域，主要刊登具有创新性的综述论文（Review Articles）、研究论文（Research Articles）和短篇报道（Short Communications）等。
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