液晶弹性体（Liquid Crystal Elastomer, LCE）可以在热激励刺激下发生可编程的大幅度可逆形变，已经被广泛研究应用于人工肌肉、形变结构、软体机器人等不相同的领域。热驱动LCE常用的驱动方法有电阻加热、光热效应加热、热水浴加热、热风枪加热和热台加热等。电阻加热是最常用的一种方法，加热效率高同时方便编辑，但是有线驱动的方法难以在封闭环境下应用，同时LCE中分布的刚性导线、加热片等元件可能抑制软材料的形变。光热效应加热在材料的局部选择性驱动方面具有优势，但对实现密闭环境中材料的远程驱动仍有局限。通过热水浴等热源加热的方法虽然效率高，但只能整体加热材料获取单一的变形模式。因此，为了充分的利用LCE的性能，亟需开发一种高效、无线、可编辑的驱动方法。

  针对以上问题，斯坦福大学赵芮可教授团队报道了一种可超快速远程驱动的液晶弹性体-液态金属（liquid crystal elastomer-liquid metal, LCE-LM）复合材料。当把液体金属（Liquid Metal, LM）和LCE结合,利用感应加热的原理，LM在远程高频磁场激励下产生涡流，进而产生大量的热能在几百毫秒内迅速加热LCE至相变温度发生变形（视频一中的LCE-LM样品在交流磁场驱动下急速升温，材料瞬间收缩并由于温度过高而冒烟），同时LM的流动性使其刚度几乎能忽略，不会影响复合材料的整体变形。通过改变LCE和LM的设计、高频磁场的强度以及高频磁场的分布，LCE-LM复合材料还能轻松实现选择驱动和次序驱动，展示出了极强的可编辑性。利用上述提到的这些优点，团队探索了LCE-LM复合材料在弹出式结构和水陆不同环境下的软体机器人应用。相关研究成果以“Liquid Crystal Elastomer–Liquid Metal Composite: Ultrafast, Untethered, and Programmable Actuation by Induction Heating”为题发表在《Advanced Materials》上。

  LCE-LM的组成和制备方式分别如图1A和图1B所示，LCE-LM共分为三层，其中上下两层为采用墨水直写方式打印的LCE层，通过设计打印的路径可以编辑LCE的变形模式，中间层为采用喷涂方式的LM层，通过设计不一样的形状的掩膜可以喷涂得到不同样式的LM。当垂直于LCE-LM样品施加一个高频交流磁场时（图1C），LM层会感应产生涡流，伴随着产生大量的欧姆损耗加热复合材料。材料的温度会在几百毫秒内迅速升高，LCE由向列相转变为各向同性相，材料宏观上展现出快速的收缩，并在温度达到120℃时达到最大40%的应变。当温度降低，LCE又由各向同性相转变为向列相，材料恢复原先的长度（图1D）。

  对于LCE-LM复合材料来说，除了编辑LCE的液晶基元取向来获得不同的变形模式外，还能够最终靠编辑LM的样式来得到不同的变形模式。例如视频2所示，左右两边样品上的LM层分别为圆环和圆盘形状，在高频磁场驱动下，具有圆环形LM层的样品外边缘迅速被加热，在0.4s内快速向上弯曲，样品变形为类似花的形状；而具有圆盘形LM层的样品中心率先被加热并快速收缩，样品在1s内向上弹起形成类似帽子的形状。

  团队还探索了通过改变不一样的区域LM的厚度来实现LCE-LM材料的次序驱动。如图2所示的圆盘形LCE-LM样品的LM层被分为两块区域，中心的圆盘形区域喷涂了20层LM（200微米厚），而外围的圆环形区域喷涂了6层LM（60微米厚）。在较小的磁场强度（13.1mT）驱动下，仅中心区域可以被加热到120℃，而在较大的磁场强度（42.6mT）驱动下，样品中心和外围均可以被加热到超过120℃。从视频3能够正常的看到，在磁场强度为13.1mT时，样品的中心区域首先弹起，当磁场强度增加到42.6mT时，样品的外围也迅速弹起。经过控制LM的厚度和磁场强度，团队实现了弹出式结构的次序驱动。

  上述两个例子是通过改变LM的分布（样式和厚度）来编辑LCE-LM的变形模式，团队进一步研究了通过改变高频驱动磁场的分布来实现LCE-LM的选择性驱动。如图3所示，当驱动线圈在样品下方平移，可以选择性地控制样品被加热区域，从而控制指定的区域发生变形。对于LCE-LM样品和非热响应的材料层叠构成的双层结构，则能轻松实现指定区域的弯曲变形。如视频4所示，当逐渐移动线圈从样品的一侧运动到另一侧，样品展现出了波的传播运动。团队还利用这种选择性驱动策略实现了水下的物体操控和爬行运动（视频5）。

  最后，团队设计一个类似海龟的软体机器人（图4），通过设计LCE的打印路径和LM 的喷涂样式来模拟海龟鳍在海龟爬行时的形变，实现了机器人在陆地上的自由万向运动。海龟的鳍由LCE-LM制成，可以在远程磁场驱动下实现周期性的收缩和展开（视频6），并在组装成完整的海龟机器人后驱动机器人运动。如视频7所示，经过控制高频磁场的分布实现海龟左鳍或/和右鳍的驱动，海龟可以转向或直行，进而可以沿着指定的路径运动。

  团队提出的LCE-LM复合材料可以在高频磁场激励下实现超快速、无线、可编辑的驱动，并能够最终靠改变LM的厚度和磁场强度实现次序驱动，还能够最终靠移动磁 场实现选择性驱动，展示了极强的设计灵活度，为LCE更广泛的应用提供了新的驱动策略和设计思路。

  赵芮可教授团队近年来通过力学指导的新型复合软材料以及新型结构的结合设计，在智能软材料与器件制备、加工与多功能化取得系列进展，详情见报道：； ；；；；；；）

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