清華團(tuán)隊(duì)克服液晶彈性體纖維難題，制備全柔性三臂Delta分揀機(jī)器人

“2003 年我在劍橋化學(xué)系讀博士，當(dāng)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(duì)液晶材料的研究從那時(shí)就開始了?！鼻迦A大學(xué)化學(xué)系副教授楊忠強(qiáng)說(shuō)

據(jù)悉，楊忠強(qiáng)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(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(qiáng)團(tuán)隊(duì)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(duì)較少。在 LCE 纖維制備方面，保證液晶延長(zhǎng)軸取向是確保纖維具有響應(yīng)性的關(guān)鍵點(diǎn)，也是制備的難點(diǎn)。

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(guò)程繁瑣、截面異形、重復(fù)性較差等問(wèn)題，而對(duì)于制備中空結(jié)構(gòu)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(xiàn)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(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(gè)瓶頸，該團(tuán)隊(duì)選取了液態(tài)金屬作為導(dǎo)電介質(zhì)進(jìn)行電熱驅(qū)動(dòng)，其良好的流動(dòng)性還可以減少對(duì) 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(shè)計(jì)集成傳感與驅(qū)動(dòng)功能的纖維在智能軟機(jī)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(qiáng)副教授擔(dān)任通訊作者[1]。

結(jié)合柔性機(jī)器人對(duì)于驅(qū)動(dòng)和傳感功能的需求，針對(duì)目前集成傳感功能的纖維驅(qū)動(dòng)器，在制備和結(jié)構(gòu)復(fù)雜上的短板，該團(tuán)隊(duì)開發(fā)出易制備、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，集成傳感和驅(qū)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(zhǎng)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(shí)現(xiàn)的。

為此，該團(tuán)隊(duì)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(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(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(zhǎng)軸取向 LCE 纖維連續(xù)制備成為現(xiàn)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(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(dòng)慢且不易控制。相比之下，電熱驅(qū)動(dòng)更加便捷、精準(zhǔn)、可控性強(qiáng)。

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(qiáng)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(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(tuán)隊(duì)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(dá)到 40%。

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

將傳感與驅(qū)動(dòng)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(dòng)性，在通電過(guò)程中，液態(tài)金屬會(huì)產(chǎn)生電熱效應(yīng)，驅(qū)動(dòng)液晶彈性體形變；其次，當(dāng)外部 LCE 纖維發(fā)生形變時(shí)，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(guò)觀測(cè)液態(tài)金屬電阻的變化來(lái)感知纖維的應(yīng)變。

基于以上機(jī)理，可實(shí)現(xiàn) LCE -LM 同軸纖維集成驅(qū)動(dòng)與傳感一體化。

該團(tuán)隊(duì)還對(duì) LCE -LM 同軸纖維進(jìn)行了 100 次負(fù)重傳感測(cè)試和 5000 次驅(qū)動(dòng)和運(yùn)動(dòng)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(diǎn)可以克服多種材料復(fù)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(jù)已有的研究信息，LCE 穩(wěn)定的熱響應(yīng)循環(huán)性能達(dá)到 10 萬(wàn)次以上，所以該團(tuán)隊(duì)該團(tuán)隊(duì)推測(cè) LCE -LM 耐用性在相當(dāng)量級(jí)。由于目前該領(lǐng)域中的工作還很少，結(jié)合該團(tuán)隊(duì)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(jī)器人

科學(xué)研究的終極目標(biāo)之一是“應(yīng)用”，解決社會(huì)中迫切需要的難題。在研究初期，該團(tuán)隊(duì)調(diào)研了 Delta 機(jī)器人及其用途，對(duì)其驅(qū)動(dòng)原理和分揀物體等比較了解。

該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的 Delta 分揀機(jī)器人不僅需要成套的運(yùn)動(dòng)設(shè)備完成物體的搬運(yùn)，還需要依靠大量的傳感器或者復(fù)雜的視覺識(shí)別系統(tǒng)感知待分選物體種類和機(jī)器臂的運(yùn)動(dòng)情況。

基于此痛點(diǎn)，該團(tuán)隊(duì)將 Delta 機(jī)器人核心驅(qū)動(dòng)臂簡(jiǎn)化為 LCE -LM 纖維，構(gòu)成柔性 Delta 機(jī)器人的基礎(chǔ)，作為“動(dòng)”的部分。利用 Delta 機(jī)器人分揀物體，能更好的體現(xiàn)出其質(zhì)量傳感和運(yùn)動(dòng)傳感的“感”特點(diǎn)。所以，該團(tuán)隊(duì)選用了全柔性的三臂 Delta 分揀機(jī)器人這樣的形式來(lái)集中展示這種多功能纖維的優(yōu)勢(shì)。

楊忠強(qiáng)團(tuán)隊(duì)開發(fā)出的全柔性三臂 Delta 分揀機(jī)器人，其手臂集成傳感與驅(qū)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(diào)節(jié)物體的空間位置，實(shí)現(xiàn)搬運(yùn)。

與此同時(shí)，通過(guò)全柔性三臂 Delta 分揀機(jī)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(yùn)動(dòng)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(lái)傳感的性能，但是注定其不會(huì)像傳統(tǒng)機(jī)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(shí)間和技術(shù)的問(wèn)題，最終未能完全實(shí)現(xiàn)，我們后續(xù)會(huì)繼續(xù)關(guān)注這個(gè)問(wèn)題的解決。

目前，基于 LCE -LM 的 Delta 機(jī)器人還只是原型機(jī)，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(diǎn)，該團(tuán)隊(duì)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(gòu)筑柔性機(jī)器人加快商業(yè)化

該團(tuán)隊(duì)所制備的 LCE -LM 同軸纖維在檢測(cè)、人工肌肉和柔性機(jī)器人方面會(huì)有潛在的應(yīng)用。

比如在柔性機(jī)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(dòng)單元尺寸可以制作的十分微小，這是傳統(tǒng)的電機(jī)馬達(dá)所難以實(shí)現(xiàn)的。同時(shí)該纖維又兼具較大的形變率和電驅(qū)動(dòng)控制的性能，這些優(yōu)點(diǎn)使得其在毫米級(jí)別的機(jī)器人驅(qū)動(dòng)上是十分有利的競(jìng)爭(zhēng)者。

再比如將其作為構(gòu)筑單元，編織出具有響應(yīng)驅(qū)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，著身后又能縮小到合適的尺寸；或是能在人需要運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，通過(guò)特定控制的收縮提供類似未來(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(yīng)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(gòu)買各種零件，等到清華 2020 年 8 月可以返校的時(shí)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(tái)，該團(tuán)隊(duì)可以快速地、大量地制備尺寸可控的實(shí)心或空心 LCE 纖維，并開展相關(guān)研究。

特別是現(xiàn)在，該團(tuán)隊(duì)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)隨著大眾的了解不斷擴(kuò)大，商業(yè)化過(guò)程也會(huì)更加順利。

未來(lái)，該團(tuán)隊(duì)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(jī)器人。

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