实验室甘久林研究员团队：液晶弹性体人工肌肉光纤实现多模态驱动与精确操控

光驱动人工肌肉响应外界刺激并产生可控形变与运动，具备非接触控制、响应快速以及抗电磁干扰等优势。然而，当前光驱动人工肌肉仍依赖外部空间光进行侧面照射，在实际操作中往往需要光源随动定位，导致光照分布不均、系统稳定性不足，尤其在封闭或狭窄空间内失效，严重制约了其驱动的可靠性与精准度。

近日，华南理工大学发光材料与器件全国重点实验室的甘久林研究员团队利用基于液晶弹性体的柔性致动光纤，实现了将光传输与光驱动集成于同一根光纤器件上，使之同时具有高驱动应变、低传光损耗和大运动范围。通过集成多根致动光纤得到具有多模态运动的仿生机械臂，实现多向弯曲、可控收缩与大幅度扭转等运动状态，突破了光驱动人工肌肉运动场景的限制，有望拓展柔性致动器、仿生机器人和生物医疗领域的应用。

为了解决光驱动人工肌肉无法深入封闭空间的限制，我们提出一种新型的智能响应柔性光纤，使其同时具有光纤传输功能与光热驱动性能。该柔性光纤的纤芯为光热响应驱动的液晶弹性体纤维，结合两步法和套管法制备得到，包层的材料是折射率较低的透明弹性体，通过旋涂法均匀地包覆于纤芯表面。将液晶弹性体光纤的纤芯与石英光纤横截面端对端耦合，激光沿石英光纤从激光器直接输入至液晶弹性体光纤内，极大地降低了光泄露和光损耗，提高激光的利用效率。通过调节液晶单体与光热响应掺杂剂的比例，液晶弹性体光纤可以实现低至0.37dB/cm的低传输损耗与高于5 cm的长传输距离，突破了众多柔性光波导驱动器的缺陷：驱动范围短及运动模式受限。液晶弹性体光纤在受到光纤输入的近红外光刺激下，能够产生>40%的收缩应变，得益于其高有序参数（0.65）。在大负载（超过4000倍自重）的情况下，其依然能够产生≈20%的收缩应变，展示了其高工作能力。通过设计组装，将液晶弹性体光纤集成具有多种运动模态的柔性仿生机械臂。如，由四根柔性光纤集成的收缩人工臂可以获得驱动应力的大幅提升。基于液晶弹性体光纤的扭转臂可以实现超过180°的大范围扭转，通过调控输入光功率可精确控制旋转角度。此外，通过集成液晶弹性体光纤和柔性支撑柱，设计并制备了一个可以达到多向弯曲的柔性机械臂，通过时域控制不同方位的光纤输入激光功率，实现了弯曲方向的自定义与精确操控。为了展示液晶弹性体光纤作为人工肌肉的独特优势，将液晶弹性体光纤集成于仿生手掌，埋入柔性皮肤之下，以模拟人的骨骼肌在身体内的活动，通过时空调控输入，使仿生手能够产生类似人手的抓取、抓握保持与定点释放等复杂动作。另外，为了进一步展示液晶弹性体光纤在封闭环境中使用的优异特性，将液晶弹性体光纤、微型内窥镜、高能激光输出头和持物钩等功能部件合理地组装，集成为管内操控系统。该系统可深入幽闭试管内部，由内窥镜观察管内情况，液晶弹性体光纤带动系统产生相应的运动，实现了管道内激光写字、分岔管道的物件移位等需要精确操控和深入内部的高难度复杂任务。可见，液晶弹性体光纤作为人工肌肉能够被精确操控以完成大幅度驱动，通过设计与组装，还能实现多模态运动和封闭环境内的复杂操作。

图1 液晶弹性体光纤实现多模态运动与复杂环境中的精准操纵

相关研究成果以“Multimodal actuation and precise control inliquid crystal elastomer optical fiber artificial muscles”为题发表在Advanced Materials上，其中通讯作者为甘久林研究员、杨中民教授，第一作者为刘灏珺博士生。该研究工作得到了国家自然科学基金、广东省重点研发计划、广州市重点研发项目的资助。

原文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202505776