刺激响应材料能够在磁场、光或热等外部刺激下改变其形状和物理特性，从而实现了一系列新型软机器人功能，包括在极端和不可预测环境中的自适应运动、可重构电子设备和生物医学设备。例如形状记忆聚合物、水凝胶、软磁聚合物、和液晶弹性体 (LCE)。由于 LCE 能够在温度变化时产生较大、可编程和完全可逆的致动应变，通常可达40-50%，因此已被广泛用于开发人造肌肉、形状变形结构和软机器人。当LCE 受热超过其转变温度时，就会引发向列相变到各向同性相变，导致其液晶（或介晶）从对齐状态到无组织状态的微观结构重排，从而产生沿介晶对齐方向的宏观收缩。通过这种有效的热机械响应，LCE 能够产生完全可逆的巨大形状变化以及高能量密度变形。要充分发挥液晶弹性体的优势，快速、无束缚和可编程的致动方法是非常理想的。
来自美国斯坦福大学的学者 报告了一种液晶弹性体-液态金属（LCE-LM）复合材料，它能通过涡流感应加热实现超快和可编程致动。 这种复合材料由夹在通过直接油墨写入（DIW）印刷的两层 LCE 之间的 LM组成。当受到高频交变磁场作用时，该复合材料在几毫秒内就会被致动。通过移动磁场，可对涡流进行空间控制，从而实现选择性致动。此外，通过对样品中的 LM 厚度分布进行编程，还可以实现顺序致动。 凭借这些功能，LCE-LM复合材料可进一步用于弹出式结构的多模式变形、地面全向机器人运动以及水中目标物体的操纵和爬行 。相关文章以“Liquid Crystal Elastomer - Liquid Metal Composite: Ultrafast, Untethered, and Programmable Actuation by Induction Heating”标题发表在Advanced Materials。
论文链接：
https://doi.org/10.1002/adma.202302765
图 1. LCE-LM 复合材料的制造、感应加热机制以及通过设计的 LM 模式进行的编程驱动。(A) LCE-LM 复合材料的剖视图，由夹在两层 LCE 之间的 LM 组成。(B) LCE 层的 DIW 印刷和 LM 喷涂。介质沿印刷路径排列。(C) 复合材料感应加热示意图，高频交变磁场在 LM 中产生涡流。(D) 快速收缩（复合材料加热）和恢复（复合材料冷却）示意图。在 B = 107.4 mT 和 f = 37 kHz 的条件下，(E) LCE 盘的示意图和程序驱动状态，LCE 盘表面有一个同心的 LM 环；(F) LCE 盘的示意图和程序驱动状态，LCE 盘表面有一个同心的LM 圆。
图 2. 选择性加热和顺序加热 LM 正方形（15 mm × 15 mm）的感应加热特性。(A) 在 B = 41.1 mT 和f = 51 kHz 下，10 层 LM 方形感应加热及其有限元分析预测的欧姆损耗分布和测量的温度分布。(B) LM 的总欧姆损耗与 LM 厚度/LM层数的关系。(C) 不同 LM 厚度/LM 层数下 LM 的测量温度与时间的关系。(D) 在 B = 152.8 mT 和f = 46 kHz 条件下，将线圈置于 1、2 和 3 三个不同位置时，选择性加热两个 7 层 LM 方形时的欧姆损耗和测得的温度分布。(E) 在不同层数（25、14、5 层）的三个 LM 方阵在 f = 37 kHz 磁场强度不断增加的情况下连续加热时的欧姆损耗和测得的温度分布。
图 3. LCE-LM 双层条带在水中驱动波传播运动、物体操纵和爬行。(A) 制作好的样品及其材料组成，如横截面示意图所示。样品由两层具有纵向排列介质的LCE 和夹在中间的 6 层 LM 组成。在 LCELM 复合材料的顶部粘接了一层非热活性材料层。(B) 用 B = 152.8 mT 和 f = 46 kHz 的螺旋线圈局部加热 LM 的模拟欧姆损耗分布和测量温度分布。(C) 通过将线圈移动到水中样品下方实现的波传播运动。(D) 热结构有限元分析中的温度分布和样品的模拟波传播运动。(E) 通过对样品进行程序化局部加热实现圆柱体的水中操控。(F) 通过反复加热和冷却样品实现的水中爬行运动。
图 4. 弹出式 LCE-LM 结构及其顺序驱动。(A) 制作的样品。(B) 样品的剖视图，内 LCE 圈为20 层 LM 圈，外 LCE 圈为 6 层分段 LM 圈。(C) 感应加热装置。在 (D) B = 13.1 mT 和 f = 60 kHz 以及 (E) B = 42.6 mT 和 f = 60 kHz 条件下的模拟欧姆损耗分布有限元分析、测量温度分布以及热结构有限元分析中的温度分布。(F) 在三种磁场振幅 (i) B = 0 mT、(ii) B = 13.1 mT 和 (iii) B = 42.6 mT 下的顺序致动（热结构有限元分析和实验）。比例尺：5 毫米。(G) LM 内圈（绿色）和LM 外圈（紫色）的温度与时间关系。垂直黑色虚线表示磁场从 13.1 mT 增加到 42.6 mT 的时间。水平橙色虚线表示 120°C，该温度使 LCE 产生 40% 的应变。(H) 启动过程中 A 点（红色）和 B 点（蓝色）的高度与时间的关系。垂直黑色虚线表示磁场从 13.1 mT 增加到 42.6 mT 的时间。
图 5. LCE-LM 机械海龟的驱动和全向运动。(A) LCE-LM 鳍的剖视图。鳍由 20 层 LM 组成，夹在一层较厚和一层较薄的 LCE 之间。LCE 的中源排列为圆形。(B) 鳍片驱动过程。(C) 热结构有限元分析预测的鳍片变形。(D) 海龟组装示意图。在绿色区域，鳍被粘在海龟身体上。(E) 海龟转弯运动实验（上）和热结构有限元分析预测（下），(F) 海龟行走运动实验（上）和热结构有限元分析（下）。
本研究报告了一种LCE-LM 复合材料，它能够利用 LM 感应加热实现超快、无束缚和可编程的 LCE 驱动。通过移动磁场、改变 LM 厚度和磁场强度，可对涡流进行局部调整，从而实现对复合材料的选择性顺序加热。这种 LM 感应加热驱动策略与 DIW 相结合，可以方便地对介质排列方向进行编程，从而能够实现复杂的 LCE 弹出变形、全向机器人运动以及水中目标物体操纵和爬行。本研究预计，LCE-LM 复合材料与用于设计和预测复合致动器的仿真工具相结合，不仅能扩大 LCE 的应用范围，还能为其他温度驱动致动器的新设计和致动策略提供灵感。（文：SSC）
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