液晶弹性体（LCEs）是一种新兴的智能材料，其制备方法涉及将刚性液晶单元与柔性聚合物网络进行共价结合。这使得LCEs兼备了液晶单元的各向异性特性和轻度交联聚合物网络的橡胶弹性。在外部刺激下，LCEs能够实现大幅值、可逆以及各向异性的形变，因此在四维（4D）打印领域备受关注。然而，为了保持LCEs的驱动状态，通常需要持续地施加大量外部激励，这带来了资源浪费、操作复杂、材料老化以及高温结构不便直接接触等问题。此外，传统的LCEs 4D打印通常只能实现两种形态（即初始形态与驱动形态），难以实现多级中间形态的获取与控制，限制了LCEs结构的适应性和灵活性。这些问题使得LCEs 4D打印在实际应用中面临挑战。鉴于此，南方科技大学熊异教授课题组联合葛锜教授团队提出了一种新方法，通过快速冷却实现LCEs驱动形态的锁定，使得结构能够在室温下维持其驱动形态，避免了持续性的外部激励。更重要的是，通过有效地调整介质类型和温度，可以实现对LCEs结构多种中间形态的获取与控制，同时保持材料的可逆性能（如图1所示）。这一方法为LCEs材料在软体机器人、人工肌肉和多模态控制等应用领域带来了巨大潜力，为各个领域提供了更有趣、更创新和更有价值的应用。
图1. LCEs结构的各向异性编程机制与冷却速率调控形变工艺的示意图
当高温状态下的LCEs驱动结构迅速冷却时，液晶单元的相变方式遵循一阶相变，存在时间滞后。此外，快速冷却显著降低了LCEs中轻度交联网络的流动性，导致各向异性排列的液晶单元恢复速度明显减慢。因此，锁定后的LCEs结构即使在室温条件下，也能够维持其驱动形态。图2展示了在形成和锁定LCEs轻交联网络时关键的工艺参数和性能参数。
图2. LCEs轻交联网络的形成和锁定
基于该机理，研究人员将LCEs与耐高温聚醚醚酮材料（PEEK）结合，制备了图3所示的可变形、可锁定、可恢复且的对可一定程度抵抗外部干扰的铰链结构。进一步地，研究中使用这种铰链结构制造了一个具有出色承重能力的桌形结构，能够承受比整体结构（1.99克）重50倍的重量。
图3. 基于LCE锁定原理制备的LCE-PEEK铰链结构与具有出色承重性能的桌形结构
高温物体的冷却是非稳态传热问题，因此，通过调整降温介质的类型（表面传热系数）和温度，可以实现对LCEs锁定应变的调节，图4展示了通过调整这两个变量获得多种锁定中间模态的效果。
图4. 基于冷却速率调控的LCE锁定形态可调机制
基于可调形状锁定机制，研究人员能够从单一结构中获得多种形状和行为。在墨水直写打印（DIW）过程中，液晶单元在喷嘴的剪切力和喷头运动产生的牵引力作用下沿着特定的打印路径排列。如图5所示，结合ABAQUS软件的有限元分析模拟结果，该研究模拟了自然界中花朵盛放的过程。
图5. 仿生花朵绽放过程模拟
进一步地，研究人员制备了一种智能软体夹爪，具有卓越的自适应抓取能力和可重复性。如图6所示，这种夹爪能够抓取常见的机械零件，如螺母和弹簧，并能够根据需要自动选择部分爪指，实现对大尺寸或复杂形状物体的抓取。结合DIW工艺的强大的设计与制备能力，理论上可以根据不同应用场景的需求创建各种尺寸和形状的夹具。
图6. 自适应4D打印智能软夹爪工作流程
该研究工作最近以“Shape-Tunable 4D Printing of LCEs via Cooling Rate Modulation: Stimulus-Free Locking of Actuated State at Room Temperature”为题发表在《ACS Appl. Mater. Interfaces》上。论文第一作者为南方科技大学工学院硕士生邱王麟，通讯作者为南方科技大学熊异教授。该工作得到国家自然科学基金、广东省基础与应用基础研究基金和深圳市科技创新委员会等项目的资助。
原文链接：https://doi.org/10.1021/acsami.3c10210