日常生活中，抓握、拖拽、举重等动作都源于人类肌肉根据需求自发切换驱动模式的能力。而科研人员正致力于模仿并超越这种自然机制，创造出能在电场作用下运作的人工肌肉——介电弹性体。尽管现有介电弹性体已能模拟肌肉功能，但与生物肌肉之间仍存在较大差异。
浙江大学谢涛教授团队创新性地研发了一种液晶介电弹性体，它能在外界温度改变时自行调整几何形状，并由此实现不同的弯曲刚度，进而可在电场作用下自动切换驱动模式。这一开创性的多模态驱动技术得到了审稿人高度评价，被认为是该领域的重大进步。
通常情况下，介电弹性体的驱动电压较高，一般需20V-100V/μm，但谢涛教授团队成功将驱动电压降至8V/μm，较以往研究降低了整整一个数量级，极大地提升了其稳定性和安全性。此外，不同于传统仅能平面扩张收缩的介电弹性体，新型液晶介电弹性体因其驱动模式直接关联于自身形状，可简便有效地实现弯曲、扭转等复杂动作，无需复杂的结构设计或特殊材料。
液晶介电弹性体的应用前景广阔，由于其无需复杂的控制手段，尤其适用于软体机器人的微型化发展。相比之下，传统的控制系统因集成硬质芯片和电路，往往难以应用于受限空间。而全软性质的液晶介电弹性体，在人机交互场景中则展现出更安全舒适的优势。
该论文以《具有多模态驱动的重复可编程液晶电介质弹性体》为题发表在《Advanced Materials》上，第一是浙江大学博士研究生张铖宬，通讯为浙江大学博士后研究员金斌杰，谢涛教授对整个研究提供了关键指导和支持。这项研究的设计灵感来源于虫子爬行的独特模式。通过观察虫子根据不同地形调整身体形态的行为，研究人员设想，介电弹性体的不同形状可能对应着不同的驱动模式。他们创造性地引入“几何效应”，即通过调控材料形状改变弯曲刚度，从而转换驱动模式。
在实验中，研究团队成功利用温度变化实现了两种驱动模式的自由切换。他们采用液晶弹性体材料，巧妙利用其在不同温度下自发、可逆的形状变化特性，通过独立控制高温和低温下的形状，实现自主、可逆的模式切换，并展示了极高的驱动控制自由度。
展望未来，该课题组计划进一步探索基于液晶弹性体变形原理的其他形状设计原则，以验证这一机制的普适性。同时，他们希望建立更多元化的驱动模式调控方法，以及将材料转化为能自主判断并执行特定功能的软体机器人组件。
金斌杰博士指出：“我们期待这一‘几何效应’不仅能推动液晶介电弹性体的发展，也能为水凝胶致动器、离子聚合物/金属复合致动器等驱动材料的研发带来新的启示。”
参考文献：
Zhang, C. et al. (2024). Repeatedly Programmable Liquid Crystal Dielectric Elastomer with Multimodal Actuation. Advanced Materials, 10.1002/adma.202313078.
