国际仿生工程学会 - Angew李全團隊：基於液晶彈性體仿生軟執行器中的熱和機械變色偽裝和自愈－鑽石舞台

在自然界中，許多具有變形偽裝、彩色偽裝和自愈能力的神秘生物激發了科學家們開發各種仿生軟機器人的靈感。然而，將上述所有功能系統集成到單個軟執行器系統中仍然是一個挑戰。最近，科研人員通過簡便的硫醇-烯光加成法將多刺激響應四芳基琥珀腈 (TASN) 發色團化學引入液晶彈性體 (LCE) 網絡中。獲得的 TASN-LCE 軟執行器不僅表現出響應熱和機械壓縮的可逆形狀變形和可逆顏色變化行為，而且還表現出優異的自愈、重編程和回收特性。作者希望這種具有動態變形、熱和機械變色偽裝以及自愈功能的 TASN-LCE 致動器系統將為多功能仿生軟機器人設備的進一步開發鋪平道路。

示意圖1.(a) 該 TASN-LCE 系統中使用的化學成分。(b) 交聯劑 TASN-二烯的合成方案。

圖 1. 包含四芳基琥珀腈發色團的海星模擬軟執行器中形狀變形、顏色變化、自修復和回收功能的集成示意圖。

圖 2.星形 TASN-LCE 軟執行器的製備步驟示意圖。

圖 3.(a) TASN-LCE 樣品在第一次冷卻和第二次加熱循環期間以 20 oC/min 的溫度速率的 DSC 曲線。(b) 在加熱過程中測量的 TASN-LCE 樣品的一維 WAXS 圖案。(c) 在 20 oC 和 60 oC 下測量的單域 TASN-LCE 帶的二維 WAXS 圖案。(d) TASN-LCE 樣品在不同溫度下的碳自由基濃度。(e) TASN-LCE 樣品在 0 oC -100 oC 溫度範圍內的 EPR 光譜。

圖 4. (a) 在 30 oC 和 100 oC 下記錄的 TASN-LCE 色帶的照片圖像。(b) 在加熱和冷卻循環期間測量的 TASN-LCE 帶的形狀變形 L/Liso（加熱速率 = 20 oC/min）。

圖 5. (a) 海星形 TASN-LCE 軟致動器在加熱和冷卻循環期間的熱致形狀變形和熱致變色。(b) 示意圖和 (c) 海星形 TASN-LCE 軟致動器在 808 nm NIR 光反覆開關照射到光熱觸手上後向右移動的真實照片圖像。

圖 6. (a) TASN-LCE 材料的刺激響應顏色變化示意圖。(b) TASN-LCE 樣品在 30 -100 oC 溫度範圍內的紫外可見吸收光譜。(c) 擠壓前後楓葉狀 TASN-LCE 樣品的 EPR 光譜。(d) 在機械擠壓之前和之後記錄的楓葉形 TASN-LCE 樣品的照片。

圖 8.(a) 自愈 TASN-LCE 樣品的照片。(b) 自修復 TASN-LCE 樣品的 SEM 圖像。(c) 原始 TASN-LCE 樣品和自修復 TASN-LCE 樣品在 80 oC 不同癒合時間（1 小時、4 小時、8 小時、12 小時和 24 小時）後的應力-應變曲線。(d) 海星形執行器自愈和回收的示意圖。(e) 重新種植觸手的人造海星和 (f) 回收的人造海星的照片在溫度刺激下顯示出可逆的顏色變化和形狀變形。

相關論文以題為Thermo- and Mechanochromic Camouflage and Self-Healing in Biomimetic Soft Actuators Based on Liquid Crystal Elastomers發表在《Angewandte Chemie International Edition》上。通訊作者是肯特州立大學李全教授。

參考文獻：

doi.org/10.1002/anie.202115755