MaterialsToday身怀绝技

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在自然界中，跳跃运动是十分普遍的。青蛙、跳蚤等跳跃健将可以使用瞬时运动，以较低的能量成本实现快速跳跃从而避开大型障碍物或复杂崎岖的地形。大多生命体都能轻易地调整跳跃的角度和高度，按需多次连续跳跃。

让软机器人像动物一样活动是科研人员一直以来的目标，通过对分子结构，材料特性或聚合体的宏观几何形状进行设计，有望赋予聚合物软机器人运动的能力。但实现可控的连续跳跃仍是其中一项难以克服的挑战。光敏液晶聚合物中集体的微观分子运动可转化为聚合物整体结构的宏观制动性，作为可编程的主体材料在软机器人领域被广泛研究。紧密交联的液晶聚合物网络（LCN）可在光诱导下产生大的应力，这对实现跳跃运动是十分有利的。韩国研究人员JeongJaeWie、Hak-RinKim、MaenghyoCho等人设计合成了一种含双稳态结构的偶氮-液晶聚合物（偶氮-LCN），可以在光刺激下实现连续跳跃，且跳跃高度和角度是可操控的。研究内容以Continuousandprogrammablephotomechanicaljumpingofpolymermonoliths为题发表在《MaterialsToday》上。光敏液晶聚合物能够跳跃的关键在于光敏分子机器的各向异性光机械响应使液晶聚合物能够有效地积累和释放光致能量。光敏分子机器即偶氮苯部分与液晶分子对齐，液晶分子则通过偶氮苯光异构化实现定向的光诱导收缩。光敏液晶聚合物顶部和底部的°超扭曲向列型（°STN）分子几何结构在光照射和加热的条件下产生非等距的双稳态结构。双稳态结构在能垒下方累积能量，以便在两个稳定结构之间变形。在变形过程中，累积的能量开始超过能垒，并持续瞬间释放，即所谓的“snap-through”。能量瞬间释放使液晶聚合物与基板发生碰撞，从而发生跳跃运动。释放能量后，跳跃高度可达16.1BL（体长），最大起飞速度为BLs-1。图.厚度为20m的偶氮-LCN片材的光机械跳跃。（a）偶氮-LCN整体的向上（左）和向下（右）光机械跳跃的照片。（b）偶氮-LCN结构中液晶元基团的°超扭曲向列（°STN）排列的3D示意图和扫描电子显微镜图像。（c）跳跃时的3D示意图，描绘了偶氮-LCN的连续曲率变化。（d）将实验跳跃结果（上）与有限元模拟（下）进行比较；膜尺寸：2mm×2mm。（e）不同部分曲率和高度随时间的变化。（f）2mm×2mm偶氮-LCN片材的速度和高度随时间的变化。跳跃的高度和速度，表现出很强的温度依赖性。高于聚合物玻璃化转变温度（Tg）时，偶氮-LCN的机械刚度显著降低，从而促进了光诱导的拓扑转变。此外，由于较大的自由体积和更小的分子障碍，橡胶状聚合物基质中反式-顺式异构化速率会增加，从而使偶氮苯光敏分子开关能够有效转移光诱导的应力。对于2mm×2mm大小的偶氮-LCN材料，跳跃能力会随着温度的升高而逐渐提高。但是，当温度提升至Tg+76°C时，由于偶氮苯部分的快速热顺式-反式反向异构化和粘弹性聚合物的松弛，跳跃能力反而降低。就光强度效应而言，跳跃高度随光强度的增加而增加，这是因为增强的光照诱导了反式顺式异构化光动力学的加速。跳跃运动还与尺寸有关，大的偶氮-LCN材料能从较大的结构转化中积累的更多能量从而跳的更高，2mm×2mm的正方形表现出最优性能。但由于重力和空气阻力的影响，当尺寸继续增加，达到3mm×3mm时，偶氮-LCN材料的跳跃高度会降低。高长径比的材料跳跃角度会增加，但跳跃高度减少。通过改变偶氮-LCN材料的纵横比可以直接操控聚合物的跳跃高度和角度。图.通过改变纵横比（AR）来控制偶氮-LCN光机械跳跃的角度。在较高的光束强度范围内反式顺式光致异构化速率更快，梯度的光照射强度产生的不对称光异构化为定向跳跃提供了倾斜方向上的矢量。为了使聚合物能够连续跳跃，特别设计了一套光致动系统，该系统能够使用透明加热板在上下方向按需发射光线。跳跃角度和方向用不同梯度照射的光强来编程，增加光束轮廓的强度梯度斜率，定向跳跃的角度会增加。通过这种方式，无需任何其他干预，直接改变照射光的方向和强度分布，就可以使偶氮-LCN快速到达指定位置。图.通过自上至下和自下而上两个方向的双光束照射及其光束轮廓控制偶氮-LCN整块聚合物定向连续跳跃。本文将光敏分子单元与液晶聚合物网络自组装成类似弹簧的°STN分子结构，深度挖掘了液晶聚合物的“田径”潜质。偶氮-LCN聚合物顶部和底部的垂直分子排列结构可有效地积累光生应力，并能通过快速释放能量来实现光机械跳跃，表现出惊人的弹跳能力，跳跃高度和起飞速度分别为15.5BL和BLs-1。且偶氮LCN的拓扑结构不需要特殊的处理步骤就可重置。通过调控整块液晶聚合物材料的尺寸，应力-应变响应度和光异构化速率（受温度和光强影响），可实现最佳的跳跃能力。将有限元模拟数据与实验结果进行匹配，可以在3维空间中提取有关曲率和应力分布的详细信息。改变整块偶氮-LCN材料的纵横比或光照参数就可以直接控制跳跃高度和角度。梯度光强度破坏了单片光敏液晶聚合物中光异构化的对称性，使动能具有方向性。高纵横比的偶氮LCN聚合物能够进行多峰跳跃，将双向光辐照与光束强度梯度结合起来，微型光敏液晶聚合物能够有效规避障碍物并快速到达指定位置。这种空前的策略将大大推动小型软机器人非接触式跳跃的发展。

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