4D打印液晶彈性體在軟體機器人領域的研究綜述

王子航

(西北工業(yè)大學化學與化工學院 陜西 西安 710072)

0 引言

軟體機器人是一種不同于傳統(tǒng)剛性機器人的新型機器人,獨特的柔體結構使其擁有更多樣的功能和更廣的應用范圍。而液晶彈性體(liquid crystal elastomer, LCE)作為一種機械活性軟材料,其優(yōu)異的可逆形變能力和刺激響應能力相比眾多制造機器人的傳統(tǒng)材料擁有較為明顯的優(yōu)勢。目前,人們用4D打印技術實現(xiàn)高精度、高效率的機器人制造,根據(jù)不同的需求進行定制化設計,極大契合軟體機器人的特性。開發(fā)體系完善的4D打印技術,獲得更高質量的液晶彈性體,對于軟體機器人領域的發(fā)展有著重要的意義和參考價值。

1 概述

4D打印技術是將3D打印技術和變形可控材料結合的新興制造技術,它在原有3D打印基礎上增加時間維度的調控,即打印對象的形狀、特性或功能可以在外部刺激下隨著時間的推移而變化[1]。在可用4D打印的眾多刺激響應材料中,LCE是一種機械活性軟材料,具有可編程和可逆的形狀變化[2],因為其變形大且可逆、應變響應快、機械性能優(yōu)異、各向異性好,被認為是4D 打印中具有前景的材料[3]。目前實現(xiàn)智能化制造4D打印液晶彈性體的方法眾多,為機器人領域的發(fā)展提供了無限可能。軟體機器人作為新興發(fā)展的機器人,其相對于剛性機器人有著更優(yōu)良的形狀結構大變形、環(huán)境適應性和更友好的人機交互,在微小空間和限定環(huán)境進行工作等特殊應用領域具有重要的實用價值[4-5]。LCE因其具備獨特的液晶和彈性體的雙重性能,而成為制備軟體機器人最優(yōu)良的材料之一。LCE制成的機器人部件可受多種外部刺激以此來觸發(fā)LCE的致動,從而使機器人具有良好的智能響應功能,使得新型智能材料和可變形結構在軟體機器人的設計和制造中得到了廣泛的發(fā)展。

2 4D打印液晶彈性體在軟體機器人的研究進展

2.1 4D打印液晶彈性體技術的進展

與傳統(tǒng)的打印技術相比,4D打印技術能夠對所打印材料的形狀和大小進行編程。REN等[6]提出了多參數(shù)編碼4D打印彈性體的新方法,通過對LCE的變形形狀進行編程,根據(jù)實驗和模擬所得數(shù)據(jù)分析印刷速度、擠出壓力、印刷高度和紫外光強度等參數(shù)對LCE驅動性能的影響,實現(xiàn)不同的局部形狀變形行為,為構建機器人致動器提供了設計的思路和空間。PENG等[7]開發(fā)了一種新型的混合增材制造系統(tǒng),該混合系統(tǒng)由自上而下的數(shù)字光處理器(Digital Light Processing, DLP)和帶有原位激光固化模塊的直接墨水書寫(direct ink writing, DIW)組成,激光固化DIW模塊固化LCE墨水,而DLP提供可移動的支撐結構,合理地設計了LCE油墨,并在擠壓時實現(xiàn)快速固化,從而增強驅動,減少驅動應變,可以在增材工藝中實時打印獨立的LCE結構。4D打印賦予液晶彈性體集成形狀可編程和性能可調控的特性,為傳感器和執(zhí)行器的改進提供了新的方向和指導。將4D打印技術應用于軟體機器人的設計與制造中,可以突破現(xiàn)有軟體機器人驅動材料和支撐材料難以結合的設計技術瓶頸,使其結構功能化、功能多樣化。

2.2 不同響應驅動的4D打印液晶彈性體軟體機器人

4D打印技術制造軟體機器人能夠顯著提高生產(chǎn)效率和制造靈活性。根據(jù)刺激響應方法的不同,4D打印液晶彈性體軟體機器人可應用于不同領域。ROG等[8]使用了連續(xù)液晶彈性體致動器的光熱感應響應,將空間和時間調制激光束引起的軟彈性體變形與合成黏液的黏性能力相結合,通過4D打印制造出基于光源驅動的毫米級蝸牛機器人,展示了不同爬行步態(tài),提供了一種光致動下設計運動變形軟體機器人的有效手段。ZHAI等[9]開發(fā)了一種基于光控制響應LCE的軟體機器人,驗證了溫度梯度和曲率是機器人均勻穩(wěn)定滾動的2個必要條件。該機器人使用較高的溫度參數(shù)進行DIW技術4D打印,無需任何其他處理程序便能具有熱衍生的無約束滾動能。該管狀機器人的整個驅動過程是自動的,無需改變環(huán)境因素,完全能在脫離人工控制的情況下完成任務。研究表明這類軟體機器人可以根據(jù)障礙物的高度超越或改變方向,意味著利用4D打印可以方便地開發(fā)具有觸覺感知的人工智能機器人。其可應用于貨物運輸和極端高溫環(huán)境的智能探索。在另一項研究中[10],研究人員利用直徑0.25 mm左右的細小針頭進行墨水直寫打印,獲得液晶介晶取向度高達0.46的打印樣品。單層單向打印的液晶彈性體在打印方向可以實現(xiàn)44. 6%的熱致收縮,同時在垂直于打印方向會熱致膨脹,導致樣品變厚變粗。而雙層打印的樣品在受熱時讓液晶彈性體的整體形變不再局限于平面內,開始實現(xiàn)多維度的變形。通過設計打印路徑,對打印結構進行編程,在實現(xiàn)熱致變形之外更進一步地實現(xiàn)了無限制熱致運動。完善了軟體機器人的自主性和靈活形變性。

通過4D打印LCE制備的軟體機器人具有了自感應和環(huán)境適應性等功能,其自組裝和能夠通過外界刺激驅動的優(yōu)勢讓軟體機器人能夠在不同工作環(huán)境下做出靈敏反應并靈活行動。近年來,4D打印技術不斷優(yōu)化和改善,也為LCE軟體機器人的設計和編程提供了靈活的思路。由此可見,4D打印LCE在軟體機器人領域的發(fā)展空間十分廣闊。

3 液晶彈性體在機器人中的應用

液晶彈性體是用液晶分子的凝聚作為物理交聯(lián)的新型熱塑性彈性體,是一種新興的柔性致動材料。當加熱到各向異性至各向同性轉變溫度(TNI)以上時,其預對準的介元出現(xiàn)重新定向,并使LCE具有大的各向異性變形,且提供可逆驅動[11]。這極大契合了軟體機器人在工作時所需的靈活性和適應性,使其有著廣闊的應用前景。根據(jù)打印技術的不同,其所制備的LCE性能和應用也不同。WANG等[12]開發(fā)了一種可打印的光響應金納米棒(AuNR)/LCE復合墨水,通過調整DIW打印技術的油墨配方和打印參數(shù),允許AuNR在0.1%(質量分數(shù))的濃度下對打印的LCE細絲進行光熱驅動,并將該技術運用在一種新型的光驅動軟體機器人中,實現(xiàn)了機器人在局部光致動下的爬坡。SONG[13]等將DIW打印LCE的技術參數(shù)進一步優(yōu)化,在原有基礎上添加具有傾斜角度的優(yōu)化魚鱗狀微觀結構,構建了尺蠖式爬行軟體機器人,充分利用液晶彈性體的各向異性使其爬行時具有良好的摩擦力,證明了仿生尺蠖機器人的通用性。由此可見,液晶彈性體所制成的柔性驅動器為機器人進行復雜靈活的運動提供了良好的解決方案。

為了進一步拓寬液晶彈性體在軟體機器人中的適用范圍,在基于傳統(tǒng)液晶彈性體的制動器制備方法上,高性能液晶彈性體通過摻入其他材料進行改性,改善了傳統(tǒng)液晶彈性體難以制備的缺點和一次性使用難以回收的劣勢,讓液晶彈性體更加多功能化,并且在可控調節(jié)柔性制動器方面得到了廣泛應用。LEE等[14]將具有三乙二醇間隔物(TUEG)的二胺官能化的聚醚硫脲作為交聯(lián)劑摻入LCE中,一方面促進了氫鍵的形成,強化了系統(tǒng)的熱驅動性,軟體機器人在熱驅動下能夠具有穩(wěn)定的工作性能,可舉起重量為其自重660倍的物體,另一方面利用硫脲鍵可離解的特性實現(xiàn)了材料的回收和處理,并用LCE-TUEG膜焊接構建了一種具有嵌入式電阻絲的電驅動仿真假手,通過焦耳加熱的選擇性致動,成功地模仿了各種手勢。TANG[15]等使用2-甲基-1,4-亞苯基雙(4-(3(丙烯酰氧基)丙氧基)苯甲酸酯)(RM257)作為可交聯(lián)的LC基質,并添加非反應性(4′-戊基-4-聯(lián)苯腈)(5CB)作為LC溶劑以調節(jié)印刷黏度,將功能性納米填料并入LCE基質,使用DLP技術制備了具有濕度響應能力的各向異性結構,從而達到優(yōu)良的吸濕驅動和定向變形能力。HUANG等[16]將四苯基乙烯(TPE)和螺吡喃(SP)部分作為可以調節(jié)的熒光基團摻入LCE基質中,制造了一種智能軟致動器。在UV和可見光的連續(xù)照射下,制備出來的光致變色發(fā)光和復雜光變形能力的仿生器件應用廣泛,并且可以極大程度上模擬生物爬行和變色發(fā)光的行為。此外,動態(tài)共價化學鍵的存在讓LCE致動器成為一個具有卓越的自修復、重編程、重塑和回收能力的系統(tǒng),拓展了機器人的多功能性。

綜上所述,打印液晶彈性體已在機器人的制備和性能優(yōu)化方面得到了廣泛的使用。但由于打印設備的技術缺陷無法制造出具有刺激響應性的智能材料,且在已有打印技術的參數(shù)設置下,制備復雜結構和靈活的機器人較為困難,以上的傳統(tǒng)打印技術,極大限制了軟體機器人在狹小空間和極端環(huán)境下的應用[17]。

4 總結與展望

本文主要介紹了液晶彈性體這一智能響應軟材料的發(fā)展,簡要概括了傳統(tǒng)打印技術和4D打印技術LCE所制備的軟體機器人在不同領域和不同環(huán)境下的應用,及其已經(jīng)實現(xiàn)的對外界刺激進行響應和自組裝的特性。目前,有關4D打印LCE的軟體機器人已經(jīng)取得了許多成果,但是在打印材料的性能增強和打印技術的優(yōu)化方面仍需改進。特別體現(xiàn)在不同環(huán)境中使用的軟體機器人制備需要使用不同性能的材料,而由于現(xiàn)有材料可打印性的限制暫時無法實現(xiàn),打印設備和智能材料的墨水都亟需深度開發(fā),種種因素限制了4D打印LCE技術的發(fā)展。此外,現(xiàn)有4D打印LCE軟體機器人僅能實現(xiàn)簡單的刺激響應,暫時無法投入使用于運輸行業(yè)、未知探索等實際運用中。因此,優(yōu)化和開發(fā)不同4D打印技術、制備更多高性能液晶彈性體,對LCE軟體機器人豐富其智能驅動性、實現(xiàn)更有效的人機交互、運用于不同的工作環(huán)境都有著重大的意義。