液晶弹性体（Liquid Crystal Elastomers, LCEs）作为兼具聚合物网络弹性和液晶基元各向异性的智能材料，在外界刺激（如温度、光、电场等）作用下，液晶基元可发生从向列相（有序态）向各向同性相（无序态）的可逆转变，从而驱动聚合物网络产生宏观形变（如收缩、弯曲等）。得益于其高驱动应变、可编程形变能力及可逆响应特性，液晶弹性体在人工肌肉、软体机器人及柔性驱动器领域展现出重要潜力。

  然而，当前液晶弹性体的热致形变性能仍存在若干关键性限制：驱动温度阈值普遍超过80℃，远超人体耐受范围（<40℃），严重制约了其在生物医学及可穿戴设备领域的应用潜力；动力学性能不足，形变恢复时间通常是驱动时间的3~4倍。这种高驱动能垒与缓慢的恢复动力学特性共同导致了液晶弹性体在低能耗刺激条件下的响应速率受限和循环驱动效率低下。因此，开发兼具低温驱动特性（工作温度<40℃）与快速响应能力（恢复时间与驱动时间相当）的新型液晶弹性体，已成为该领域亟待突破的研究重点。

文章亮点：

  近日，江苏大学徐琳教授、丁建宁教授课题组与北京理工大学陶然副教授、美国科罗拉多大学Franck教授通过跨学科合作，成功开发出具有突破性性能的新型人体体温驱动超拉伸液晶弹性体。该研究创新性地提出了螺旋编程取向制备技术，通过两阶段巯基-丙烯酸酯迈克尔加成与光聚合反应，研制了预编程应变高达 2500% 的超拉伸液晶弹性体，超越了传统液晶弹性体的应变极限。特别值得关注的是，在此基础上制备的超拉伸液晶弹性体LCE-25驱动器展现出优异的低温驱动特性，极大降低了液晶弹性体驱动器所需的响应温度，可实现25~33 ℃驱动温度下16.75°/s的热形变。

  2025年6月23日，该研究以“Body temperature actuated liquid crystal elastomers from hyper tensile preprogramming”为题发表在国际著名TOP期刊《Advanced Functional Materials》上（IF 18.5）。

图1. LCE-25的制备。（A-B）RM257液晶单体、硫醇交联剂、扩链剂的化学结构及液晶多畴聚合物；（C）采用传统单轴拉伸法制备常规预应变的LCE-2；（D）采用螺旋缠绕拉伸法制备超拉伸预应变的LCE-25；（E）单畴态下紫外光固化；（F）液晶弹性体表面静电纺丝纳米银线网络示意图。

  通过X射线散射揭示了 超拉伸液晶弹性体 的微观结构。WAXS二维散射图显示，未经预拉伸的多畴液晶弹性体在不同温度下均呈现漫散环状图案，表明液晶基元取向随机。而在预应变拉伸后 (LCE-25和 LCE-2)，图案转变为明显的取向弧，清晰表明了应力诱导的液晶基元取向。通过取向度因子S分析其微观有序化程度，研究发现超拉伸液晶弹性体具有全温度范围内增强的液晶基元有序度，且其取向度因子在 20~33 ℃ 温区间变化显著，这为低温（人体体温）驱动应用提供了关键基础。

  同时，研究系统性地探讨了预应变和样品厚度对驱动特性的影响，发现增加预应变与提升驱动与恢复速度呈高度正相关。该超拉伸液晶弹性体超薄化后仍能保持卓越的力学性能。在 102.5 g 负载条件下，它可实现约 10% 的驱动应变，且驱动与恢复时间均达到秒级，克服了传统液晶弹性体的动力学迟滞问题。特别引人注目的是，超拉伸液晶弹性体的工作密度高达 1.5 MJ/m3，超越生物骨骼肌工作密度（40–60 kJ/m3）的25 倍，实现了一个数量级提升。

图2：LCE-25与LCE-2的结构对比。（A）LCE-25经预拉伸至初始长度25倍后的图像；（B）多畴样品LCE-p（左）、LCE-2（中）和LCE-25（右）在20 ℃、33 ℃、60 ℃和85 ℃的WAXS二维散射图；（C）33 ℃时多畴LCE、LCE-2和LCE-25的一维散射曲线；（D）33 ℃时WAXS谱径向积分随χ角的变化曲线；（E）LCE-2与LCE-25取向度因子S随温度的变化关系。

图3：LCE-25与LCE-2驱动恢复特性表征。（A）静止长度为L₀的样品加载配重后拉伸至L₀+L₁，总驱动位移△L；（B）驱动应变△L/L_α与标称应力的关系；（C）驱动速度随标称应力的变化曲线；（D-E）LCE-25与LCE-2在不同载荷下的热机械分析；（F）热机械分析测试中LCE-25与LCE-2的归一化应变-温度曲线；（G）采用螺旋缠绕拉伸法制备的不同预应变/厚度样品分布；（H-I）驱动/恢复速度与预应变及厚度的标度分析。

  得益于改善的液晶基元有序度和超薄的厚度，超拉伸液晶弹性体LCE-25驱动器在弯曲/恢复/升温/降温速率及热变形率上具有较传统液晶弹性体全面增强的热应变性能。它在25-33℃的低温刺激下表现出优异的驱动性能，能够通过接触传导、辐射和对流等人体体温热传递方式实现快速可逆的形变响应。

图4：LCE-25的人体温度驱动。（A）手指接触使得LCE-25热传导加热产生热致弯曲形变。（B）手指跟随使得LCE-25热辐射加热产生热致弯曲形变。（C）人体呼吸使得LCE-25对流加热产生热形变。（D-E）三种加热模式的弯曲角度-时间曲线、温度-时间曲线及弯曲/加热速率。

视频1: 人体体温刺激（接触、辐射和对流等加热模式）下的形变

  进一步，研究开发了光驱动滚轮结构和仿生蜻蜓扑翼系统等，展示了超拉伸液晶弹性体在柔性驱动器和软体机器人系统中的潜在应用。其中，仿生蜻蜓扑翼系统通过创新的旋转遮光板设计，在保持红外激光器持续激发的条件下，实现了光脉冲频率与占空比的精确调控，从而驱动蜻蜓翅膀的周期性拍打，实现连续的自主扑翼运动。

图5：LCE-25驱动实验。（A）近红外光源、旋转遮光罩与LCE-25蜻蜓的实验装置示意图。（B）遮光罩旋转触发周期性驱动。（C）不同近红外强度下蜻蜓温度-时间曲线。（D）两种频率下的扑翼角度与温度同步变化曲线。（E）振荡运动期间翼面x-z平面轨迹。（F）近红外驱动旋转轮示意图。（G）旋转轮周期运动的红外图像。（H）旋转轮实验的位移/温度随时间的变化。

  为验证超拉伸液晶弹性体在低温环境下的实用性能，研究构建了智能窗系统，窗户可随环境温度变化实现智能的开启和关闭。未来，可继续将该材料的环境温度自适应行为转化为更复杂的机械形变和控制，探索其在柔性驱动、可穿戴设备等领域的更多潜在应用。

视频2: 环境（人体）温度控制开关的智能窗户

  江苏大学徐琳教授、北京理工大学陶然副教授和科罗拉多大学Franck教授为该论文的共同通讯作者，研究生朱陈和Samuel为论文的共同一作，江苏大学机械工程学院为该论文的第一单位。该工作得到了国家自然科学基金面上项目(52275290)、国家自然科学基金“共融机器人基础理论与关键技术研究”重大研究计划集成项目（92248301）、机械系统与振动国家重点实验室科研项目（MSV202419）、工程仿生教育部重点实验室开放基金(KF2023006)等项目的支持。

  论文信息：

  Body temperature actuated liquid crystal elastomers from hyper tensile preprogramming. Lin Xu, Chen Zhu, Samuel C. Lamont, Ran Tao, Yiqi Mao, Zongben Guan, Lizhi Zhang, Jianning Ding, Franck J. Vernerey,   Advanced Functional Materials, 2025, 2424033.

  https://doi.org/10.1002/adfm.202424033

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