清華團隊克服液晶彈性體纖維難題，制備全柔性三臂Delta分揀機器人

“2003 年我在劍橋化學(xué)系讀博士，當時(shí)課題是利用微納加工技術(shù)將液晶取向進(jìn)行限域，制備微納米制動(dòng)器。所以，我對液晶材料的研究從那時(shí)就開(kāi)始了?！鼻迦A大學(xué)化學(xué)系副教授楊忠強說(shuō)

據悉，楊忠強的科研之路并非一帆風(fēng)順，近 20 年的科研生涯中，她也做過(guò) DNA、蛋白結晶以及界面水滴的研究。雖然課題內容不同，但在液晶材料相關(guān)的研究從未間斷，這離不開(kāi)清華大學(xué)化學(xué)系和基金委給予科研人員探索的空間和自由。

楊忠強團隊目前主要研究領(lǐng)域集中在液晶彈性體纖維（Liquid Crystal Elastomer，LCE ）的制備及其功能化。相較于 LCE 薄膜已經(jīng)有 40 余年的研究歷史，纖維結構的研究相對較少。在 LCE 纖維制備方面，保證液晶延長(cháng)軸取向是確保纖維具有響應性的關(guān)鍵點(diǎn)，也是制備的難點(diǎn)。

傳統方法包括最早的熔融拉絲法和近幾年發(fā)展的模板法、直書(shū)打印法。目前，這些方法仍然存在制備纖維尺寸有限或者工藝過(guò)程繁瑣、截面異形、重復性較差等問(wèn)題，而對于制備中空結構的 LCE 纖維參考價(jià)值不是很高。

在 LCE 纖維功能化方面，如何實(shí)現電控的 LCE 纖維一直是該領(lǐng)域致力解決的問(wèn)題。有的課題組嘗試將具有電熱效應的硬質(zhì)材料，諸如銀納米線(xiàn)、碳材料等引入 LCE 纖維。但是，由于材料模量不匹配，導致 LCE 的形變能力和耐用性下降。

為了突破這個(gè)瓶頸，該團隊選取了液態(tài)金屬作為導電介質(zhì)進(jìn)行電熱驅動(dòng)，其良好的流動(dòng)性還可以減少對 LCE 形變的限制，這個(gè)策略目前看來(lái)是合適且有效的。

11 月 5 日，相關(guān)論文以《基于簡(jiǎn)單設計集成傳感與驅動(dòng)功能的纖維在智能軟機器人中的應用》（The Integration of Sensing and Actuating based on a Simple Design Fiber Actuator towards Intelligent Soft Robots）為題發(fā)表在Advanced Materials Technologies上，清華大學(xué)化學(xué)系博士研究生廖威為該論文第一作者，由楊忠強副教授擔任通訊作者[1]。

結合柔性機器人對于驅動(dòng)和傳感功能的需求，針對目前集成傳感功能的纖維驅動(dòng)器，在制備和結構復雜上的短板，該團隊開(kāi)發(fā)出易制備、結構簡(jiǎn)單，集成傳感和驅動(dòng)功能為一體的液晶彈性體-液態(tài)金屬（Liquid Crystal Elastomer -Liquid Metal，LCE -LM）同軸纖維。

開(kāi)發(fā)重力輔助的熔融紡絲法

LCE -LM 同軸纖維制備過(guò)程中，最關(guān)鍵部分是如何獲得長(cháng)軸取向的 LCE 中空纖維，這是現有的 LCE 纖維制備技術(shù)難以實(shí)現的。

為此，該團隊采用重力輔助的熔融紡絲法，以水為內芯，熔融 LCE 寡聚物為外層，在同軸針頭擠出時(shí)，LCE 受重力作用自然下落拉伸。同時(shí)，施加紫外光交聯(lián)固定取向，可實(shí)現纖維的一次成型。隨后，將水芯干燥后灌注液態(tài)金屬，即可獲得 LCE -LM 同軸纖維。

這種重力輔助熔融紡絲法，使得有長(cháng)軸取向 LCE 纖維連續制備成為現實(shí)；同時(shí)，由于其采用了重力輔助的拉伸取向方法，一定程度上簡(jiǎn)化了傳統熔融紡絲部分牽引和拉伸系統，更便于工業(yè)化的快速生產(chǎn)，擁有良好的商業(yè)前景。

值得關(guān)注的是，早期的研究利用烘箱、烘槍等提供加熱環(huán)境，由于空氣導熱性差，導致驅動(dòng)慢且不易控制。相比之下，電熱驅動(dòng)更加便捷、精準、可控性強。

此外，以往業(yè)界所用的體系通過(guò)引入金屬電熱絲或者碳材料作為產(chǎn)熱部分。由于這些硬質(zhì)材料的力學(xué)強度與 LCE 不匹配，所以，限制了 LCE 形變。

而液態(tài)金屬的選擇則巧妙的解決了這個(gè)問(wèn)題，由于它室溫下是液態(tài)，能在形變過(guò)程中完全適應孔道的變化。所以，最大程度地保留了 LCE 本征形變性能，該團隊所開(kāi)發(fā)的 LCE -LM 同軸纖維體系，在熱或電刺激下，其最大收縮率能達到 40%。

相較于記憶合金，LCE 擁有更大的響應形變率，同時(shí)也更加柔軟，使其在人工肌肉、柔性機器人方面有良好的應用前景。

將傳感與驅動(dòng)一體化

作為同軸纖維內芯的液態(tài)金屬具有良好的導電性和流動(dòng)性，在通電過(guò)程中，液態(tài)金屬會(huì )產(chǎn)生電熱效應，驅動(dòng)液晶彈性體形變；其次，當外部 LCE 纖維發(fā)生形變時(shí)，內部的液態(tài)金屬又能不斷適應這種形狀變化，維持內部通道的連通性和導電性；最后，通過(guò)觀(guān)測液態(tài)金屬電阻的變化來(lái)感知纖維的應變。

基于以上機理，可實(shí)現 LCE -LM 同軸纖維集成驅動(dòng)與傳感一體化。

該團隊還對 LCE -LM 同軸纖維進(jìn)行了 100 次負重傳感測試和 5000 次驅動(dòng)和運動(dòng)傳感后，仍體現出良好的穩定性能。值得一提的是，在此類(lèi)纖維中，液態(tài)金屬自身所具備的特點(diǎn)可以克服多種材料復合最容易發(fā)生的界面問(wèn)題和加熱材料損壞的難題

同時(shí)，根據已有的研究信息，LCE 穩定的熱響應循環(huán)性能達到 10 萬(wàn)次以上，所以該團隊該團隊推測 LCE -LM 耐用性在相當量級。由于目前該領(lǐng)域中的工作還很少，結合該團隊的了解，其耐用性能在這些工作中能名列前茅。

克服挑戰制備全柔性三臂 Delta 分揀機器人

科學(xué)研究的終極目標之一是“應用”，解決社會(huì )中迫切需要的難題。在研究初期，該團隊調研了 Delta 機器人及其用途，對其驅動(dòng)原理和分揀物體等比較了解。

該團隊發(fā)現，傳統的 Delta 分揀機器人不僅需要成套的運動(dòng)設備完成物體的搬運，還需要依靠大量的傳感器或者復雜的視覺(jué)識別系統感知待分選物體種類(lèi)和機器臂的運動(dòng)情況。

基于此痛點(diǎn)，該團隊將 Delta 機器人核心驅動(dòng)臂簡(jiǎn)化為 LCE -LM 纖維，構成柔性 Delta 機器人的基礎，作為“動(dòng)”的部分。利用 Delta 機器人分揀物體，能更好的體現出其質(zhì)量傳感和運動(dòng)傳感的“感”特點(diǎn)。所以，該團隊選用了全柔性的三臂 Delta 分揀機器人這樣的形式來(lái)集中展示這種多功能纖維的優(yōu)勢。

楊忠強團隊開(kāi)發(fā)出的全柔性三臂 Delta 分揀機器人，其手臂集成傳感與驅動(dòng)的功能不僅能通過(guò)電阻傳感物體質(zhì)量以期進(jìn)行分選，還能通過(guò)電流控制每根纖維的收縮與舒張從而調節物體的空間位置，實(shí)現搬運。

與此同時(shí)，通過(guò)全柔性三臂 Delta 分揀機器人這種“自感知”可以幫助操控者判斷纖維是否處于正常工作狀態(tài)，以及判斷手臂的具體運動(dòng)狀態(tài)。

廖威表示：“該工作最大的挑戰應該是全柔性手臂雖然能帶來(lái)傳感的性能，但是注定其不會(huì )像傳統機器人一樣，在負載情況下?lián)碛辛己玫姆€定性。我們最初設想的精確控制等功能受制于時(shí)間和技術(shù)的問(wèn)題，最終未能完全實(shí)現，我們后續會(huì )繼續關(guān)注這個(gè)問(wèn)題的解決。

目前，基于 LCE -LM 的 Delta 機器人還只是原型機，其最大需要優(yōu)化的是提升控制的精密度和反饋的準確性，特別是閉環(huán)控制系統的形成。關(guān)于這點(diǎn)，該團隊在最新發(fā)表的論文中也有所涉及并探討了解決以上工程問(wèn)題的方案。

編織功能性織物以及構筑柔性機器人加快商業(yè)化

該團隊所制備的 LCE -LM 同軸纖維在檢測、人工肌肉和柔性機器人方面會(huì )有潛在的應用。

比如在柔性機器人的便攜化和小型化上，由于纖維的直徑只有 400μm，其驅動(dòng)單元尺寸可以制作的十分微小，這是傳統的電機馬達所難以實(shí)現的。同時(shí)該纖維又兼具較大的形變率和電驅動(dòng)控制的性能，這些優(yōu)點(diǎn)使得其在毫米級別的機器人驅動(dòng)上是十分有利的競爭者。

再比如將其作為構筑單元，編織出具有響應驅動(dòng)性能的功能織物。這種智能織物，在變大后方便使用者穿著(zhù)，著(zhù)身后又能縮小到合適的尺寸；或是能在人需要運動(dòng)的時(shí)候，通過(guò)特定控制的收縮提供類(lèi)似未來(lái)科幻電影中士兵身上外骨骼的輔助能力等。

LCE -LM 同軸纖維擁有廣袤的潛在應用場(chǎng)景，如果能真實(shí)在某一個(gè)領(lǐng)域落地，所帶來(lái)的影響都是顯著(zhù)的。

在疫情居家隔離期間，廖威自學(xué)如何搭建紡絲設備，購買(mǎi)各種零件，等到清華 2020 年 8 月可以返校的時(shí)候，他很快開(kāi)發(fā)出重力輔助的熔融紡絲技術(shù)。有了這樣的技術(shù)平臺，該團隊可以快速地、大量地制備尺寸可控的實(shí)心或空心 LCE 纖維，并開(kāi)展相關(guān)研究。

特別是現在，該團隊提供了更加便利的制備加工方法、更加豐富功能的 LCE 纖維，其影響力也會(huì )隨著(zhù)大眾的了解不斷擴大，商業(yè)化過(guò)程也會(huì )更加順利。

未來(lái)，該團隊將聚焦開(kāi)發(fā)性能優(yōu)異、功能多樣的 LCE 纖維，以其為構筑單元，編織功能性織物以及構筑柔性機器人。

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