改變本征形變特性：機(jī)械超材料啟發(fā)的液晶彈性體研究進(jìn)展

王瑾宇， 徐藝藝， 金夢(mèng)詩(shī)， 黃帥*， 李全

（1.東南大學(xué) 智能材料研究院， 江蘇 南京 211189；2.東南大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院， 江蘇 南京 211189）

1 引言

液晶彈性體對(duì)熱、光、電等多種外部刺激都能夠響應(yīng)，并發(fā)生宏觀形變［1-4］。在不同取向方式下，液晶彈性體可以表現(xiàn)出不同的運(yùn)動(dòng)形式，因此取向是液晶彈性體的核心屬性之一，對(duì)其功能和潛在應(yīng)用產(chǎn)生決定性的影響。通過(guò)對(duì)液晶聚合物分子排列的精確操縱，可以定制具有復(fù)雜三維幾何形態(tài)和功能特性的高性能材料［5］，為傳感器［6］、仿生肌肉［7-9］、微流控設(shè)備［10］和柔性電子設(shè)備［11-15］等多種應(yīng)用提供了有效的解決策略。

機(jī)械超材料是一類由人工設(shè)計(jì)并制造的材料，由于人工設(shè)計(jì)的有序微觀結(jié)構(gòu)［16］，它們具有自然界不存在的特殊性能［17］，其有序結(jié)構(gòu)可以通過(guò)一系列簡(jiǎn)單單元的合理堆積排列構(gòu)成，例如柵格結(jié)構(gòu)、螺旋結(jié)構(gòu)、晶胞結(jié)構(gòu)、折紙或剪紙結(jié)構(gòu)［18-19］。其中典型的例子，如剪紙和折紙作為經(jīng)典藝術(shù)形式被運(yùn)用于轉(zhuǎn)化二維平面為三維結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換過(guò)程中［20-21］。通過(guò)單個(gè)折紙或剪紙單元的重復(fù)有序組合，機(jī)械超材料可以實(shí)現(xiàn)響應(yīng)性的多維度轉(zhuǎn)換功能。這種技術(shù)特別在軟體機(jī)器人的開發(fā)上發(fā)揮著重要作用，通過(guò)精確的切割和預(yù)先設(shè)計(jì)的折痕，材料可以根據(jù)預(yù)定的模式進(jìn)行展開和形變［22-25］。這些由剪紙或折紙?jiān)貥?gòu)成的超材料展示了優(yōu)異的形變、調(diào)控性及能量吸收特性。結(jié)合先進(jìn)的增材制造［26-28］技術(shù)或激光切割技術(shù)［29］，可以制造出既精確又可重復(fù)的宏觀幾何超結(jié)構(gòu)。這不僅優(yōu)化了材料的微觀結(jié)構(gòu)排列，而且極大地提升了其宏觀物理性能。因此，這種結(jié)合傳統(tǒng)手藝與現(xiàn)代科技的交叉領(lǐng)域開辟了對(duì)機(jī)械超材料性能控制和功能擴(kuò)展的新途徑。

液晶彈性體的精準(zhǔn)取向與單元結(jié)構(gòu)的組合策略是開發(fā)其新穎功能的關(guān)鍵途徑。受到機(jī)械超材料結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，研究發(fā)現(xiàn)，液晶彈性體的功能受限于微觀層面的化學(xué)結(jié)構(gòu)和組成，可以通過(guò)機(jī)械工程方法與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的融合以滿足新興的應(yīng)用需求。本文從液晶彈性體超材料的基礎(chǔ)單元幾何結(jié)構(gòu)構(gòu)筑、整體結(jié)構(gòu)制造和復(fù)合液晶彈性體超材料出發(fā)，重點(diǎn)討論了依托超材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則以及液晶彈性體的取向及幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行同步構(gòu)筑的設(shè)計(jì)方法及其應(yīng)用。最后，對(duì)液晶彈性體超材料的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行展望。

2 折紙/剪紙結(jié)構(gòu)液晶彈性體

折紙結(jié)構(gòu)是一種將紙或其他柔性材料折疊成特定形式的技術(shù)，通過(guò)復(fù)雜的折疊與連接手段，形成具備特定力學(xué)特性的結(jié)構(gòu)體［30-31］。折紙結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)技術(shù)能夠塑造出可調(diào)控彈性、剛度和形變等獨(dú)特的力學(xué)特征［20，32］。剪紙結(jié)構(gòu)在折紙結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上引入剪切，增加材料結(jié)構(gòu)的靈活性與可動(dòng)性［33］。而液晶彈性體可以在刺激條件下使內(nèi)部各向異性的有序液晶結(jié)構(gòu)變?yōu)楦飨蛲缘臒o(wú)序結(jié)構(gòu)，宏觀上表現(xiàn)出材料的伸縮變化（圖1）。通過(guò)微觀層面控制分子運(yùn)動(dòng)行為的方式將折疊結(jié)構(gòu)引入液晶彈性體［34-35］，結(jié)合剪切或裁剪，從而開發(fā)出可動(dòng)態(tài)響應(yīng)外界刺激的復(fù)雜三維形狀，以實(shí)現(xiàn)預(yù)定的折疊和展開行為。

圖1 液晶彈性體中受到刺激后產(chǎn)生有序-無(wú)序轉(zhuǎn)變，引起宏觀形變的示意圖。Fig.1 Schematic diagram of the transition from ordered to disordered states in liquid crystal elastomers，elicited by external stimuli， culminating in macroscopic deformation.

折紙或剪紙結(jié)構(gòu)執(zhí)行器通常是對(duì)預(yù)交聯(lián)的聚合物片材的局部切割和取向?qū)崿F(xiàn)的，通過(guò)這種方式可以實(shí)現(xiàn)材料的二維到三維的立體變化［36］。Yang等人通過(guò)快速的光固化技術(shù)實(shí)現(xiàn)液晶分子的快速取向鎖定［37］，使液晶分子在預(yù)取向消失前鎖定。結(jié)合預(yù)剪切和局部取向光固化，使平面片材在加熱后可以沿曲線彎曲為三維結(jié)構(gòu)，并在撤去光照后恢復(fù)（圖2（a））。另一種方法是通過(guò)對(duì)液晶盒中的片材進(jìn)行分區(qū)的非對(duì)稱取向，取向后的液晶片材可以在加熱時(shí)按照預(yù)定的方向彎曲，以組成更大規(guī)模的折紙機(jī)器人［38］。更復(fù)雜的，Bowman等人報(bào)道了一種Miura折疊致動(dòng)器［39］（圖2（b）），通過(guò)對(duì)制造的片材進(jìn)行機(jī)械折疊后，采用光固化來(lái)固定取向和折疊結(jié)構(gòu)。在加熱時(shí)Miura褶皺被打開成平坦的圖案，然后在去除刺激時(shí)返回到折疊的片材。

圖2 基于折紙和剪紙?jiān)碇圃斓囊壕椥泽w材料。（a）快速光固化實(shí)現(xiàn)的剪紙和折紙結(jié)構(gòu)執(zhí)行器［37］；（b）可逆的Miura折疊致動(dòng)器［39］；（c）基底材料預(yù)應(yīng)力實(shí)現(xiàn)的剪紙結(jié)構(gòu)液晶彈性體材料執(zhí)行器［40］；（d）嵌入光響應(yīng)材料的Kresling結(jié)構(gòu)執(zhí)行器［42］。Fig.2 Liquid crystal elastomer material manufactured based on the origami and kirigami. （a） Kirigami and origami structure actuator realized by fast photocuring［37］； （b） Reversible Miura folding actuator［39］； （c） Kirigami structure-based liquid crystal elastomer material actuator， whose functionality is achieved through prestress applied to the base substrate［40］； （d） Kresling structure-based actuator embedded with photoresponsive materials［42］.

通常液晶彈性體的取向是單一方向的，即單軸的拉伸或彎曲，但Wang等人通過(guò)基底雙軸預(yù)拉伸釋放時(shí)的壓縮力［40-41］，使得剪紙結(jié)構(gòu)的彈性體圖案以確定的幾何方式轉(zhuǎn)換為三維結(jié)構(gòu)。如圖2（c）所示，經(jīng)過(guò)取向的剪紙結(jié)構(gòu)可以在加熱條件下，實(shí)現(xiàn)二維和三維結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變。這種取向方式豐富了液晶彈性體材料的設(shè)計(jì)空間，為軟機(jī)器人設(shè)計(jì)提供了新思路。由于單一的液晶彈性體薄膜通常為拉伸取向，這決定了薄膜可以收縮提供高驅(qū)動(dòng)力，而難以進(jìn)行伸長(zhǎng)驅(qū)動(dòng)。最近Li等人通過(guò)在嵌入光響應(yīng)材料的液晶彈性體取向過(guò)程中引入Kresling折紙結(jié)構(gòu)［42］，實(shí)現(xiàn)了多疇液晶彈性體的大應(yīng)變光致伸長(zhǎng)。如圖2（d）所示，一組折疊提升執(zhí)行器在紫外光照下，抬起自身重量10倍以上的重物。此外，通過(guò)分區(qū)光取向和激光切割，可以制造出變形行為更復(fù)雜的剪紙結(jié)構(gòu)彈性體［34，43］。

3 類柵格/晶格結(jié)構(gòu)液晶彈性體

通過(guò)設(shè)計(jì)超材料單元的結(jié)構(gòu)與排列方式，可以調(diào)控其宏觀物理性質(zhì)，以實(shí)現(xiàn)不同于一般自然材料的反常特性和功能。液晶彈性體可適用于機(jī)械超材料的構(gòu)筑。其中，液晶彈性體拉漲機(jī)械超材料，可以實(shí)現(xiàn)諸如負(fù)泊松比、負(fù)壓縮、負(fù)熱膨脹系數(shù)等物理特性［14］。同時(shí)液晶彈性體的刺激響應(yīng)能力，為制造可變形和可調(diào)控的機(jī)械超材料提供基礎(chǔ)，增加機(jī)械系統(tǒng)的適應(yīng)性、智能性和可重構(gòu)性。類柵格/晶格結(jié)構(gòu)材料可用于更復(fù)雜工程系統(tǒng)中，如可展開航空帆板、個(gè)性化醫(yī)療裝置和新型探測(cè)設(shè)備。液晶彈性體超材料的這些特性也為新型傳感器和通信系統(tǒng)的開發(fā)提供了可能。

超材料的規(guī)整有序結(jié)構(gòu)通常需要精細(xì)加工過(guò)程，而激光切割是一種非常適用的加工方式。Sitti等人通過(guò)亞微米級(jí)雙光子聚合技術(shù)［44］，構(gòu)建了具有雙軸膨脹能力的類格柵剪紙結(jié)構(gòu)超表面（圖3（a））。該材料在加熱條件下可以沿軸向伸長(zhǎng)，而剪紙結(jié)構(gòu)區(qū)域在軸向伸長(zhǎng)時(shí)發(fā)生徑向膨脹，使剪紙結(jié)構(gòu)得以展開。此外，通過(guò)構(gòu)建區(qū)域缺陷可以使該超表面實(shí)現(xiàn)信息加密功能。除雙光子切割技術(shù)，使用普通激光切割結(jié)合特殊取向方式亦可制造超結(jié)構(gòu)，如圖3（b）所示，Zhang等人使用激光切割技術(shù)在多疇彈性體構(gòu)造格柵結(jié)構(gòu)［45］，并通過(guò)襯底雙軸拉伸實(shí)現(xiàn)液晶彈性體的均勻雙軸取向。該彈性體可以在較低溫度下實(shí)現(xiàn)巨大負(fù)熱膨脹性能，擁有良好的生物相容性，與醫(yī)用敷料結(jié)合，制造出一種透氣可收縮止血貼片，在加速皮膚生長(zhǎng)同時(shí)避免瘢痕組織產(chǎn)生。另一種拉漲結(jié)構(gòu)是使用胺丙烯酸酯體系［46］，通過(guò)激光切割制備的拉漲結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)力學(xué)性能優(yōu)異，有望用于柔性心臟支架。

圖3 基于激光切割技術(shù)的液晶彈性體機(jī)械超材料。（a） 類格柵剪紙結(jié)構(gòu)的負(fù)泊松比超表面［44］；（b） 柵格結(jié)構(gòu)的負(fù)熱膨脹超材料［45］。Fig.3 Liquid crystal elastomer mechanical metamaterials based on laser cutting. （a） Negative Poisson’s ratio metasurface of grid-like kirigami structure［44］； （b） Negative thermal expansion grid structure［45］.

隨著三維打印技術(shù)的進(jìn)步和穩(wěn)定液晶低聚物打印墨水的技術(shù)成熟［47-48］，超材料的制造成本得到降低，制造尺寸和精度提升，且可以批量制造。墨水直寫技術(shù)（Direct Ink Writing， DIW）是液晶彈性體3D打印的常用技術(shù)［49-51］，通常是將可剪切稀化的彈性體低聚物裝入打印針筒，在機(jī)械力的作用下擠出打印。打印出的彈性體通常沿平行打印纖維的方向取向，通過(guò)合理排布打印纖維的方向和順序，可以實(shí)現(xiàn)諸如雙軸收縮、凸起、卷曲等多種運(yùn)動(dòng)方式。Somolinos等人基于液晶低聚物的DIW技術(shù)打印了熱驅(qū)動(dòng)超結(jié)構(gòu)晶格［52］，打印的晶格在熱刺激下可以良好地二維收縮或旋轉(zhuǎn)收縮。進(jìn)一步地，他們通過(guò)結(jié)合DIW和電紡絲技術(shù)的熔融電寫技術(shù)（Melt Electrowriting，MEW）［53］，使材料既可以簡(jiǎn)單方便地打印成型又可以補(bǔ)足DIW技術(shù)打印分辨率低的問(wèn)題。打印的彈性體纖維寬度從數(shù)百納米至數(shù)十微米，且可以精確堆疊最多50層。打印出的有序晶格結(jié)構(gòu)可沿纖維方向有較大幅度收縮，為制備微型軟機(jī)器人和致動(dòng)器開辟了新途徑（圖4（a））。盡管該方法可以通過(guò)層之間不同的堆疊實(shí)現(xiàn)二維結(jié)構(gòu)到三維的轉(zhuǎn)變，由于DIW技術(shù)需要逐層沉積，而打印復(fù)雜中空結(jié)構(gòu)時(shí)又很容易發(fā)生塌陷或錯(cuò)位，使得該方法幾乎只能用于平面超結(jié)構(gòu)的打印。數(shù)字光處理技術(shù)（Digital Light Processing， DLP）應(yīng)運(yùn)而生，DLP打印精度高，且無(wú)需內(nèi)部支架。同時(shí)，液晶彈性體易于重構(gòu)，可以從宏觀到微觀尺度上定制其結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)預(yù)設(shè)的形狀變化和功能，這在設(shè)計(jì)可重新編程和自修復(fù)的超材料方面顯示出巨大潛力［54］。Yang等人通過(guò)DLP打印的液晶彈性體中空晶格結(jié)構(gòu)［55］，在加熱過(guò)程中可均勻可逆地膨脹（圖4（b））。但該方式打印的結(jié)構(gòu)難以直接取向，使該方法打印出的結(jié)構(gòu)或是驅(qū)動(dòng)應(yīng)變較小不能達(dá)到預(yù)期，或是需要二次拉伸或壓縮取向，增加了制造的步驟。

圖4 不同3D打印方式制備液晶彈性體超結(jié)構(gòu)。（a） 熔融電寫入技術(shù)制備高精度超細(xì)晶格［53］；（b） 數(shù)字光處理打印三維超結(jié)構(gòu)［55］；（c） 激光墨水直寫隔空制備液晶彈性體晶格結(jié)構(gòu)［56］；（d） 雙光子聚合結(jié)合電取向制備微米級(jí)三維超結(jié)構(gòu)［57］。Fig.4 Fabrication of liquid crystal elastomer metastructures through diverse 3D printing techniques. （a） Preparation of exquisitely precise latticework via melt electrowriting［53］； （b） Employment of digital light processing to construct complex 3D metastructures［55］； （c） Spatial architecting of liquid crystal elastomer lattice structures through laser direct ink writing［56］； （d） Crafting of microscale three-dimensional metastructures through two-photon polymerization enhanced by electro-orientation［57］.

Qi等人使用激光輔助DIW技術(shù)制備可快速固化的彈性體結(jié)構(gòu)［56］，同時(shí)使用DLP技術(shù)打印彈性體打印過(guò)程中所需底部支架，實(shí)現(xiàn)了隔空制備具有取向的高驅(qū)動(dòng)應(yīng)變液晶彈性體中空晶格（圖4（c）），可以實(shí)現(xiàn)諸如混合運(yùn)動(dòng)晶格，整體拉漲結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定可調(diào)三維晶格空間。此外，Wegener等人通過(guò)電取向結(jié)合雙光子聚合技術(shù)（Two-Photon Polymerization， 2PP）［57］。通過(guò)調(diào)節(jié)電場(chǎng)方向，逐區(qū)域固化，使制備的微米級(jí)超結(jié)構(gòu)晶胞擁有復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)和取向。而后通過(guò)浸潤(rùn)分散紅，使結(jié)構(gòu)可以光響應(yīng)（圖4（d））。制備的結(jié)構(gòu)可以在不同強(qiáng)度光照下，完成泊松比由正到負(fù)的翻轉(zhuǎn)。

此外，液晶彈性體除有良好的制造機(jī)械超材料的基礎(chǔ)外，近來(lái)科研人員也開始擴(kuò)展其他方向超材料的應(yīng)用與制造，例如驗(yàn)證了液晶彈性體聲子晶體的制造［58-60］。聲子晶體作為一種聲學(xué)超材料，其中單元結(jié)構(gòu)復(fù)合有兩種性質(zhì)不同的材料，當(dāng)彈性波通過(guò)不同材料時(shí)發(fā)生散射。若波頻率在聲子晶體帶隙范圍則傳播被抑制。通過(guò)單元結(jié)構(gòu)對(duì)聲波的傳播路徑和行為的影響，達(dá)到控制和操作聲場(chǎng)的作用，圖5為一種二維聲子晶體晶格示意圖。機(jī)械超材料在制造時(shí)亦考慮抗震隔音的作用。Liu等人通過(guò)建立向列相液晶彈性體聲子晶體模型［58］，驗(yàn)證了向列相液晶彈性體內(nèi)部取向?qū)β曌泳w的帶隙影響。由于材料軟彈性，其中心頻率會(huì)向低頻移動(dòng)。液晶彈性體的各向異性導(dǎo)致聲子帶隙對(duì)彈性波傳播角度敏感，當(dāng)聲子晶體圓柱填充物較小時(shí)，帶隙會(huì)因波入射角度的不同打開或關(guān)閉，同時(shí)升高溫度可使液晶彈性體向各向同性轉(zhuǎn)變，使聲子晶體帶隙發(fā)生改變。這使得液晶彈性體聲子晶體可以通過(guò)溫度和傳播角度對(duì)彈性波進(jìn)行智能調(diào)諧。而不同的液晶材料其指向矢弛豫時(shí)間不同，這導(dǎo)致不同液晶彈性體即使彈性模量相近，其帶隙范圍也完全不同，使得液晶彈性體的帶寬調(diào)控范圍進(jìn)一步擴(kuò)展。

圖5 二維聲子晶體晶格。其中A為正方形排列的有取向的液晶彈性體晶格基材，B表示圓柱填充物。填充物可為不同于液晶彈性體物理特性的材料，亦可為真空。Fig.5 Two-dimensional phononic crystal and lattice. A denotes a lattice composed of oriented liquid crystal elastomer arrays， configured in a square arrangement， while B denotes the cylindrical inclusions.These inclusions can comprise materials possessing physical characteristics distinct from those of the liquid crystal elastomers or can alternatively embody a vacuum.

4 復(fù)合結(jié)構(gòu)液晶彈性體

受限于液晶彈性體的軟質(zhì)結(jié)構(gòu)，單一液晶彈性體構(gòu)成的超材料很難滿足更高性能的需求。因此在制造可響應(yīng)的超材料時(shí)，可參考復(fù)合材料的制造手段［61-63］，復(fù)合其他傳統(tǒng)材料制造超結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)大面積高性能的結(jié)構(gòu)制備［64-65］。液晶彈性體作為材料的刺激響應(yīng)的驅(qū)動(dòng)單元，其他軟材料或硬材料作為支撐結(jié)構(gòu)或被動(dòng)層，可充分發(fā)揮液晶彈性體的大幅度驅(qū)動(dòng)優(yōu)勢(shì)，克服其應(yīng)用局限性，實(shí)現(xiàn)更廣領(lǐng)域運(yùn)用。例如，具有折紙結(jié)構(gòu)的液晶彈性體驅(qū)動(dòng)的Sarrus連桿結(jié)構(gòu)［66］，其允許單軸驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)雙軸折疊，單一模塊可以提升13倍自身重量垂直載荷，并可以承受38倍重量不坍塌。此外，結(jié)合多材料3D打印技術(shù)，可以制造基于液晶彈性體驅(qū)動(dòng)的更高強(qiáng)度的超結(jié)構(gòu)，提升其雙軸展開能力［67］。

圖6（a）演示了一種基于雙層彈性體鉸鏈的剪紙結(jié)構(gòu)負(fù)熱膨脹系數(shù)的超材料［68］。其鉸鏈層中的液晶彈性體受熱收縮幅度大于聚二甲基硅氧烷層（PDMS），因此在加熱時(shí)鉸鏈發(fā)生彎曲，正方形結(jié)構(gòu)發(fā)生旋轉(zhuǎn)收縮。另一方面，內(nèi)嵌的磁鐵在小于一定距離時(shí)，會(huì)發(fā)生吸引。利用這種多穩(wěn)態(tài)單元，制造可傳播躍遷收縮效果的超結(jié)構(gòu)，在一端加熱發(fā)生收縮后，靠近收縮端的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性改變，發(fā)生躍遷收縮和傳導(dǎo)使整體收縮。此外，液晶彈性體作為一種良好的刺激響應(yīng)材料，可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)電子傳感器和控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境的響應(yīng)和改變。如圖6（b）所示，Raney等人通過(guò)使用液晶彈性體等響應(yīng)材料構(gòu)筑的多種傳感控制模塊［69］，其中的響應(yīng)材料控制模塊可以對(duì)外界的光、熱和溶劑做出不同的響應(yīng)，從而改變機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡。同時(shí)，通過(guò)組合不同控制模塊，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境的多類型響應(yīng)，為無(wú)電子機(jī)器人設(shè)計(jì)提供新思路。

圖6 復(fù)合結(jié)構(gòu)超材料。（a） 液晶彈性體充當(dāng)旋轉(zhuǎn)鉸鏈的剪紙結(jié)構(gòu)超材料［68］；（b） 液晶彈性體充當(dāng)響應(yīng)控制模塊的無(wú)電子軟機(jī)器人［69］；（c） 液晶彈性體基材的太赫茲光偏轉(zhuǎn)超表面［70］；（d） 高效能量吸收的液晶彈性體超結(jié)構(gòu)［73］。Fig.6 Composite structural metamaterials： （a） Kirigami structural metamaterials with liquid crystal elastomer serves as rotary hinges［68］； （b） An electronics-free soft robots， with the liquid crystal elastomer functioning as an intricate response modulation unit［69］； （c） A terahertz-frequency optical steering metasurface underpinned by a liquid crystal elastomer substrate［70］； （d） A liquid crystal elastomer metastructure that fulfills a critical function in the dissipation and absorption of energy with high efficacy［73］.

除常見(jiàn)的機(jī)械超材料外，Luo等人還通過(guò)在液晶彈性體表面布置C型開口諧振器構(gòu)造光響應(yīng)太赫茲活性超表面［70］。通過(guò)紅外或加熱使液晶彈性體超表面發(fā)生偏轉(zhuǎn)和彎曲，實(shí)現(xiàn)了對(duì)太赫茲波段的波前控制，展示了其作為光束轉(zhuǎn)向器、頻率調(diào)制器和可調(diào)諧分束器的性能，展示了可重構(gòu)超表面的發(fā)展前景。另一種太赫茲超表面的制造是通過(guò)在彈性體表面熱蒸鍍銀質(zhì)諧振器實(shí)現(xiàn)的［71］，超表面在其共振頻率下透射率為0.003 6，通過(guò)光照使薄膜彎曲，太赫茲光束可完全通過(guò)，可以實(shí)現(xiàn)277倍的大切換對(duì)比度連續(xù)可調(diào)諧強(qiáng)度調(diào)制器。

除刺激響應(yīng)效果外，液晶彈性體作為軟材料也擁有高的能量吸收特性［72］。而單疇的液晶彈性體因其各向異性在能量的傳導(dǎo)和吸收方面具有獨(dú)特的性質(zhì)。Kang等人展示了一種由液晶彈性體作為能量吸收結(jié)構(gòu)的超材料［73］，可以通過(guò)改變液晶基元的指向來(lái)調(diào)節(jié)能量吸收（圖6（d））。晶胞表現(xiàn)出5 MJ·m-3的能量吸收密度，比PDMS制備的相同結(jié)構(gòu)吸收密度高出兩個(gè)數(shù)量級(jí)。

5 結(jié)論

本文綜述了受超材料結(jié)構(gòu)啟發(fā)的液晶彈性體領(lǐng)域在近年的發(fā)展動(dòng)態(tài)。液晶彈性體的刺激響應(yīng)特性在打造功能性復(fù)雜結(jié)構(gòu)以及響應(yīng)式超材料方面展現(xiàn)出了其獨(dú)有的優(yōu)勢(shì)。其中折紙/剪紙結(jié)構(gòu)液晶彈性體超材料可實(shí)現(xiàn)空間形變；類柵格/晶格結(jié)構(gòu)可通過(guò)激光切割或三維打印技術(shù)進(jìn)行精密規(guī)模制造；而基于液晶彈性體的復(fù)合超材料的開發(fā)克服了純液晶彈性體硬度不足的問(wèn)題，擴(kuò)展了其應(yīng)用范圍。液晶彈性體超材料的應(yīng)用涉獵領(lǐng)域廣泛，包括但不限于多維度變形裝置、仿生機(jī)器人技術(shù)、智能感測(cè)器以及可調(diào)節(jié)光學(xué)設(shè)備等。而在另一層面，精準(zhǔn)的微觀取向設(shè)計(jì)允許基于液晶彈性體構(gòu)建的超材料實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的宏觀力學(xué)與光學(xué)屬性，譬如呈現(xiàn)負(fù)泊松比率、高能量吸收能力、聲波及電磁波的控制能力等?，F(xiàn)有研究已經(jīng)利用這些特性，制造了可體溫收縮淡化疤痕的創(chuàng)可貼和體溫膨脹的血管支架材料、抗沖擊超材料梁、無(wú)電子傳感的軟機(jī)器人、可用于波調(diào)諧與波操控的聲子晶體和結(jié)合金屬材料陣列的太赫茲波控制器。通過(guò)液晶彈性體材料和創(chuàng)新結(jié)構(gòu)結(jié)合所獲得的新奇特性，對(duì)于智能材料未來(lái)的發(fā)展具有不可忽視的重要價(jià)值。

盡管理論和實(shí)驗(yàn)層面上液晶彈性體與其特殊結(jié)構(gòu)的融合取得了顯著成就，然而該領(lǐng)域依舊存在眾多挑戰(zhàn)亟待解決。例如，彈性體的弱硬度缺乏足夠的支撐力、長(zhǎng)期使用穩(wěn)定性的不足，以及3D打印過(guò)程中取向控制的復(fù)雜性。因此，未來(lái)的研究應(yīng)在強(qiáng)化變形能力的同時(shí)，探索與其他結(jié)構(gòu)材料的復(fù)合來(lái)增強(qiáng)其力學(xué)適應(yīng)性，通過(guò)化學(xué)結(jié)構(gòu)創(chuàng)新提升老化抗性，開發(fā)更為先進(jìn)的生產(chǎn)技術(shù)和取向手段，制訂更加合理以及科學(xué)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則。此外，人們對(duì)材料的研究最終需轉(zhuǎn)變?yōu)榫唧w的實(shí)踐應(yīng)用，設(shè)計(jì)方案應(yīng)針對(duì)特定的工業(yè)及科學(xué)難題，并開發(fā)更加適用的應(yīng)用程序。