ADV OPT MATER | 偏振光驱动的“液晶机器人”

论文概述

 近年来，基于光热效应的LCE（Liquid Crystal Elastomer，液晶弹性体）致动器，具有生物相容性、高组织渗透能力以及材料设计的简易和灵活等特点，被广泛应用在仿生器件、人工肌肉、传感器和软机器人等多个前沿领域。然而，如何提升LCE制动器的操作自由度仍然是一个挑战。南方科技大學罗丹教授及课题组成员提出了一种基于线性偏振光驱动的LCE致动器，相关研究成果于2020年12月发表于Advanced Optical Materials，题目为：“Polarization Dependent Light-Driven Liquid Crystal Elastomer Actuators based on Photothermal Effect”。首次实验研究了三种基于偏振相关光热效应的LCE致动器，包括振荡器、仿生狗摆尾和光磨。除了光的波长和强度之外，光的偏振被证明可用于作为控制参数，并为基于光热效应的光驱动LCE致动器提供了额外的自由度。具有良好偏振依赖性的染料掺杂的LCE致动器在软机器人和仿生领域显示出巨大的潜在应用。

研究背景

柔性致动器（Soft actuators）在仿生设备、人工肌肉、传感器和软机器人学中的独特应用而受到广泛关注。各种外界环境刺激刺激，例如温度、光和电场已经被用于控制柔性致动器的变形或运动。其中，光响应LCEs无需电池、电线或者接触式驱动系统就可以实现远程、即时、精确控制而成为近年来主要的研究热点。目前所报道的基于光热效应的LCE致动器，主要由波长或强度等光学参数调制。然而，要增加LCE制动器操纵的附加自由度、增强形状变形模式并且提高光的操纵能力，因传统光热试剂中偏振吸收性能差，致使在基于光热效应的偏振光调制LCE致动器仍然是一个挑战。

技术突破

本文创造性的提出了一种线性偏振光驱动的LCE致动器的构造，该构造可以解决传统光热试剂中偏振吸收性能差、形状变形模式受限、光的操纵能力弱等问题。基于在LCEs中掺杂二色性染料，其中二色性染料的偏振吸收通过光的线性偏振来调制LCE致动器，而二色性染料的光热转换可以将光能转化为热量。染料掺杂薄膜的偏振相关特性在488nm的波长下可以表征。因光的偏振作为一个光学参数调谐振荡频率而不是强度，因此本文制作了三个偏振相关的LCE激励器，包括振荡器、仿生狗摆尾和光磨。实验证明，光的偏振除了光的波长和强度之外，还能执行控制参数并为基于光热效应的光驱动LCE致动器提供额外的自由度。

      作者采用了对偏振敏感的二向性染料，在不同偏振条件下的吸收曲线如图1（b）确保了染料掺杂的LCE致动器的状态受偏振光状态的操控。偏振光可控的LCE薄膜示意图1（c）中，由于在LCE薄膜上表面的垂直走向以及下表面的平行走向，反应性液晶元(reactive mesogens, RM)和二向性染料分子自动组合为展开结构。在光照过程中，由于二色性染料的光热效应，LCE薄膜的局部温度升高。当LCE薄膜被加热到液晶各向同性相变温度以上时，液晶介晶的取向变为随机排列，导致垂直走向的延伸并与平行走向相冲突，最终向着平行走向的一边弯曲。当LCE薄膜冷却到液相时，液相液晶介晶返回到原始方向，LCE薄膜恢复到其原始状态。对于偏振光驱动的LCE致动器，线性偏振光的偏振方向(L)和液晶介晶的取向方向(M)，直接决定了二色性染料的光吸收(与液晶介晶对齐)。光热效应在夹角为0°和90°时最大和最小，分别导致最大和最小的LCE膜弯曲角。

图1  光热效应下偏振光驱动的弯曲实验。（a）合成LCE的成分的化学结构；（b）二向性染料在不同偏振光条件下的吸收谱；（c）LCE薄膜展开方向与线偏振入射光的示意图；（d-g）LCE方向和光偏振方向不同相对位置在偏振光学显微镜下的图像；（h-i）二氧化硅玻璃表面掺DD的LCE薄膜在关灯和开灯时的照片。

 为了进一步探索偏振光控LCE驱动器的应用，本文制作了三个偏振相关的LCE致动器，包括振荡器、仿生狗摆尾和光磨。实验证明除了光的波长和强度之外，光的偏振可以执行控制参数，并为基于光热效应的光驱动LCE致动器提供额外的自由度。

图2  偏振光驱动的LCE致动器。（a）描述LCE致动器在不同偏振光照明下弯曲的照片，其中?为偏振光与液晶分子的夹角，其中?从0°到90°变化，激光从下向上。

图3  基于LCE的仿生狗摆动尾巴。（a）基于染料掺杂的LCE的仿生狗摆尾示意图，偏振光方向为45°；（b-g）从视频中提取的一系列快照。

图4  偏振光可控的LCE光磨。（a）基于LCE薄膜的偏振可控光磨示意图；（b-e）从视频中提取的一系列快照。

观点评述

作者首次提出基于光热效应的偏振光操纵的LCE致动器，增加LCE制动器操纵的附加自由度的同时、增强形状变形模式并且提高光的操纵能力。文章展示了基于二向性染料掺杂的LCE的线偏振光驱动的柔性驱动器，其在可见光488nm的照射下显示出优异的线偏振相关响应。三个LCE致动器，包括振荡器、仿生狗摆尾和光磨中，光的偏振用作致动器调谐的控制参数，LCE振荡器显示出完全可逆和连续的激励。通过实验证明，除了光的波长和强度之外，光的偏振可以执行控制参数，这在机器人和仿生技术中具有广阔的应用前景。