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(dāng)時課題是利用微納加工技術(shù)將液晶取向進行限域，制備微納米制動器。所以，我對液晶材料的研究從那時就開始了。”清華大學(xué)化學(xué)系副教授楊忠強說

據(jù)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 DNA、蛋白結(jié)晶以及界面水滴的研究。雖然課題內(nèi)容不同，但在液晶材料相關(guān)的研究從未間斷，這離不開清華大學(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(jié)構(gòu)的研究相對較少。在 LCE 纖維制備方面，保證液晶延長軸取向是確保纖維具有響應(yīng)性的關(guān)鍵點，也是制備的難點。

傳統(tǒng)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程繁瑣、截面異形、重復(fù)性較差等問題，而對于制備中空結(jié)構(gòu)的 LCE 纖維參考價值不是很高。

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

為了突破這個瓶頸，該團隊選取了液態(tài)金屬作為導(dǎo)電介質(zhì)進行電熱驅(qū)動，其良好的流動性還可以減少對 LCE 形變的限制，這個策略目前看來是合適且有效的。

11 月 5 日，相關(guān)論文以《基于簡單設(shè)計集成傳感與驅(qū)動功能的纖維在智能軟機器人中的應(yīng)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(dān)任通訊作者[1]。

結(jié)合柔性機器人對于驅(qū)動和傳感功能的需求，針對目前集成傳感功能的纖維驅(qū)動器，在制備和結(jié)構(gòu)復(fù)雜上的短板，該團隊開發(fā)出易制備、結(jié)構(gòu)簡單，集成傳感和驅(qū)動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。

開發(fā)重力輔助的熔融紡絲法

LCE -LM 同軸纖維制備過程中，最關(guān)鍵部分是如何獲得長軸取向的 LCE 中空纖維，這是現(xiàn)有的 LCE 纖維制備技術(shù)難以實現(xiàn)的。

為此，該團隊采用重力輔助的熔融紡絲法，以水為內(nèi)芯，熔融 LCE 寡聚物為外層，在同軸針頭擠出時，LCE 受重力作用自然下落拉伸。同時，施加紫外光交聯(lián)固定取向，可實現(xiàn)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，使得有長軸取向 LCE 纖維連續(xù)制備成為現(xiàn)實；同時，由于其采用了重力輔助的拉伸取向方法，一定程度上簡化了傳統(tǒng)熔融紡絲部分牽引和拉伸系統(tǒng)，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(dǎo)熱性差，導(dǎo)致驅(qū)動慢且不易控制。相比之下，電熱驅(qū)動更加便捷、精準(zhǔn)、可控性強。

此外，以往業(yè)界所用的體系通過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問題，由于它室溫下是液態(tài)，能在形變過程中完全適應(yīng)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(yīng)形變率，同時也更加柔軟，使其在人工肌肉、柔性機器人方面有良好的應(yīng)用前景。

將傳感與驅(qū)動一體化

作為同軸纖維內(nèi)芯的液態(tài)金屬具有良好的導(dǎo)電性和流動性，在通電過程中，液態(tài)金屬會產(chǎn)生電熱效應(yīng)，驅(qū)動液晶彈性體形變；其次，當(dāng)外部 LCE 纖維發(fā)生形變時，內(nèi)部的液態(tài)金屬又能不斷適應(yīng)這種形狀變化，維持內(nèi)部通道的連通性和導(dǎo)電性；最后，通過觀測液態(tài)金屬電阻的變化來感知纖維的應(yīng)變。

基于以上機理，可實現(xiàn) LCE -LM 同軸纖維集成驅(qū)動與傳感一體化。

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

同時，根據(jù)已有的研究信息，LCE 穩(wěn)定的熱響應(yīng)循環(huán)性能達到 10 萬次以上，所以該團隊該團隊推測 LCE -LM 耐用性在相當(dāng)量級。由于目前該領(lǐng)域中的工作還很少，結(jié)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(zhàn)制備全柔性三臂 Delta 分揀機器人

科學(xué)研究的終極目標(biāo)之一是“應(yīng)用”，解決社會中迫切需要的難題。在研究初期，該團隊調(diào)研了 Delta 機器人及其用途，對其驅(qū)動原理和分揀物體等比較了解。

該團隊發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的 Delta 分揀機器人不僅需要成套的運動設(shè)備完成物體的搬運，還需要依靠大量的傳感器或者復(fù)雜的視覺識別系統(tǒng)感知待分選物體種類和機器臂的運動情況。

基于此痛點，該團隊將 Delta 機器人核心驅(qū)動臂簡化為 LCE -LM 纖維，構(gòu)成柔性 Delta 機器人的基礎(chǔ)，作為“動”的部分。利用 Delta 機器人分揀物體，能更好的體現(xiàn)出其質(zhì)量傳感和運動傳感的“感”特點。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集中展示這種多功能纖維的優(yōu)勢。

楊忠強團隊開發(fā)出的全柔性三臂 Delta 分揀機器人，其手臂集成傳感與驅(qū)動的功能不僅能通過電阻傳感物體質(zhì)量以期進行分選，還能通過電流控制每根纖維的收縮與舒張從而調(diào)節(jié)物體的空間位置，實現(xiàn)搬運。

與此同時，通過全柔性三臂 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狀態(tài)。

廖威表示：“該工作最大的挑戰(zhàn)應(yīng)該是全柔性手臂雖然能帶來傳感的性能，但是注定其不會像傳統(tǒng)機器人一樣，在負(fù)載情況下?lián)碛辛己玫姆€(wěn)定性。我們最初設(shè)想的精確控制等功能受制于時間和技術(shù)的問題，最終未能完全實現(xiàn)，我們后續(xù)會繼續(xù)關(guān)注這個問題的解決。

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(zhǔn)確性，特別是閉環(huán)控制系統(tǒng)的形成。關(guān)于這點，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題的方案。

編織功能性織物以及構(gòu)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有潛在的應(yīng)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(qū)動單元尺寸可以制作的十分微小，這是傳統(tǒng)的電機馬達所難以實現(xiàn)的。同時該纖維又兼具較大的形變率和電驅(qū)動控制的性能，這些優(yōu)點使得其在毫米級別的機器人驅(qū)動上是十分有利的競爭者。

再比如將其作為構(gòu)筑單元，編織出具有響應(yīng)驅(qū)動性能的功能織物。這種智能織物，在變大后方便使用者穿著，著身后又能縮小到合適的尺寸；或是能在人需要運動的時候，通過特定控制的收縮提供類似未來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(yīng)用場景，如果能真實在某一個領(lǐng)域落地，所帶來的影響都是顯著的。

在疫情居家隔離期間，廖威自學(xué)如何搭建紡絲設(shè)備，購買各種零件，等到清華 2020 年 8 月可以返校的時候，他很快開發(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心或空心 LCE 纖維，并開展相關(guān)研究。

特別是現(xiàn)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，其影響力也會隨著大眾的了解不斷擴大，商業(yè)化過程也會更加順利。

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

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