文章背景

       液晶弹性体(LCE)因其卓越的可逆形变能力和独特的物理特性而广受关注。在外界刺激作用下，液晶弹性体通过液晶分子取向的变化，引发有序-无序液晶相转变，从而实现快速且大幅度的可逆形变，展现出高度的可控性和响应性。螺旋形变作为一种独特的三维形变模式，常见于自然现象中，如攀缘植物通过螺旋卷须攀爬以获取阳光。卷须的螺旋形变源于其纤维带状组织的非对称收缩：其腹面沿纵向的收缩比背面更为显著，从而产生卷须的内在曲率。此类结构在仿生学及技术领域(如微电子学、微驱动器和人造肌肉等)展现了显著的应用潜力。因此，探索螺旋形变的实现方式具有重要的研究价值。

文章概述

       基于上述背景，四川大学先进高分子材料全国重点实验室夏和生教授/卢锡立副研究员课题组利用DIW 4D打印技术制备了具有非对称皮芯结构的LCE人工卷须。由于其非对称的收缩行为，这些纤维在热刺激作用下表现出可逆的螺旋形变。通过控制打印参数，研究人员成功制备了具有不同形态和取向结构的LCE纤维驱动器，并采用有限元模拟技术(FEA)，探讨了不同长宽比和取向结构对纤维驱动器螺旋形变行为的影响。

LCE材料通过两步aza-Michael加成反应制备，其中液晶单体为RM82，扩链剂和交联剂为1,5-二氨基戊烷，溶剂为DMF，然后通过DIW 4D打印技术制备纤维驱动器，如图1所示。 

图1 具有非对称皮芯结构的纤维驱动器的制备

为了研究不同尺寸参数对LCE致动器(单根和多根纤维)形变的影响，研究人员开展了一系列合理设计的实验。在这些实验中，严格控制了关键的打印参数，包括打印速度、打印时间和喷嘴与基底之间的距离。通过这些实验，制备了一系列不同宽度、厚度和皮-芯结构的纤维致动器。随后，通过视频记录了这些致动器的热诱导形变，并使用理论模型和有限元模拟研究了螺旋形变的机理。

       首先，研究人员制备了由单根和多根纤维组成的纤维驱动器，研究纤维数量对LCE致动器形变的影响。在热刺激下，单根纤维样品从初始的垂直状态形变为均匀且紧密的螺旋形态。五根纤维的样品也形成了螺旋形态，但只观察到单圈螺旋。对于10根和20根纤维的样品，观察到明显的弯曲变形。这些样品首先向相反方向弯曲，最终在加热时形成螺旋或卷曲形态，并在冷却时迅速恢复到原始形状。这一结果表明，随着打印宽度的增加，即长宽比的减小，致动器的螺旋形变逐渐过渡为卷曲直至弯曲形变。FEA结果显示，对于由单根纤维组成的FEA模型，形变结构中的最终应力为0.03 MPa，应变为0.19%。当模型由五根纤维组成时，发生了不均匀弯曲，形变结构中的最终应力为0.05 MPa，应变为0.15%。对于由10根和20根纤维组成的模型，观察到类似的均匀弯曲形变，形变结构中的最终应力为0.04 MPa，应变为0.19%，如图2所示。

图2 不同细丝数量对纤维驱动器形变影响及FEA分析 

与不同纤维数量的样品类似，随着宽度的增加，材料内部的应力随之增大，导致打印后的致动器在室温下失去其直线形态。不同于多根纤维的打印样品表现出弯曲形态，打印后的单根纤维样品随着宽度的增加更倾向于形成螺旋结构。FEA结果表明，宽度为250 µm和500 µm的模型表现出螺旋形变，且最终的应力(0.03 MPa)和应变(0.19%)相似。而宽度为1000 µm的模型则形成了更松散的螺旋结构，导致应变减少到0.17%，应力增加至0.05 MPa，如图3所示。

图3 不同宽度对纤维驱动器形变影响及FEA分析 

除了致动器的宽度，厚度也是影响形变行为的重要因素。如图4所示，较薄的样品更容易受到残余应力的影响，导致(i)80 µm厚的打印纤维在室温下呈现螺旋形态。随着厚度的增加，(ii)100 µm厚的纤维呈现出轻微的弯曲形态，而(iii)200 µm厚的纤维则呈现单圈螺旋形态。加热后，80 µm厚的纤维发生了从右手螺旋到左手螺旋的手性反转，100 µm厚的纤维则可逆地过渡到螺旋结构，而200 µm厚的纤维则经历了从顺时针卷曲到逆时针卷曲的卷曲反转。FEA结果显示不同厚度的模型表现出相似的应变(0.2%)和均衡的应力(0.03 MPa)。

图4 不同厚度对纤维驱动器形变影响及FEA分析 

纤维驱动器的不对称皮芯取向结构是影响其形变行为的重要因素。如图5所示，研究人员制备了具有强非对称性皮-芯结构(玻璃作为打印基板)、弱非对称性皮-芯结构(纸张作为打印基板)和无皮-芯结构(机械拉伸)的纤维致动器。其中(i) 机械拉伸的纤维在加热和冷却过程中表现出可逆的收缩-伸展行为；(ii) 具有较弱非对称皮-芯结构的纤维形成较为松弛的螺旋形态，(iii) 而具有较强非对称皮-芯结构的纤维则形成均匀且紧密卷曲的螺旋结构。一旦去除热源，这些纤维可以恢复到原始状态。FEA结果显示，没有皮-芯结构的模型表现出收缩形变，应变平滑增加，并且应力最终减少到接近零。相比之下，具有弱非对称性皮-芯结构的模型，其应变和形变均小于具有强非对称性皮-芯结构的模型。 

图5 不同皮芯结构对纤维驱动器形变影响及FEA分析 

综上所述，研究人员采用DIW 4D打印技术制备了具有不同尺寸结构和不对称皮-芯结构的纤维致动器。在非对称收缩力驱动下，具有皮芯结构的高纵横比LCE纤维致动器在加热时表现出螺旋变形。通过有限元模拟研究了尺寸参数和不同皮-芯结构对螺旋形变行为的影响，并通过对形变过程中的应力和应变变化的详细分析揭示了LCE纤维致动器的螺旋形变机理。研究发现，打印速度、喷嘴直径和打印路径对纤维致动器的形态和液晶分子取向有显著影响。通过精确调节这些打印参数，研究人员能够控制纤维宽度、纤维数量、厚度和皮-芯结构，从而调节致动器螺旋形变行为。由于残余应力，纤维致动器在室温下可呈现直线、螺旋或卷曲形态。随着加热，长宽比和厚度的增加，致动器形变逐渐从螺旋形态过渡到卷曲或弯曲。这些研究结果表明，精确调整打印参数不仅能控制 LCE 纤维致动器的形态，还能定制其功能特性，为智能材料、生物医学工程和柔性电子产品的应用提供理论基础和技术支持。  

       本文为“Smart Elastomers and Actuators”专题特约稿件，该工作即将以研究论文形式在Chinese Journal of Polymer Science印刷出版。张春博士（夏和生教授课题组毕业博士生，目前在成都大学任特聘副研究员）是该论文的第一作者，费国霞副研究员负责该研究的有限元模拟，加拿大舍布鲁克大学赵越教授和成都大学王清远教授对该研究提供了指导意见，四川大学夏和生教授、卢锡立副研究员、费国霞副研究员和成都大学王清远教授为通信联系人。

原文信息：

Zhang, C.; Muhetaer, R.; Zang, T. Z.; Fu, S.; Cheng, J. P.; Yang, L.; Wang, J.; Yang, K.; Fei, G. X.; Wang, Q. Y.; Lu, X. L.; Xia, H. S.; Zhao, Y.

Chinese J. Polym. Sci., 2025, 43, 605–615.

DOI: 10.1007/s10118-025-3288-8