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Multi-stimuli responsive bionic actuators constructed by linear liquid crystal 

polymers

曲線性液晶聚合物的多刺激響應仿生驅動器

作者信息：

Yu Pu, Xiaoyu Zhang, Xiaojun Liu, Xin Zhao, Ziyue Yang, Yanlei Yu

Department of Materials Science and State Key Laboratory of Molecular 

Engineering of Polymers, Fudan University, Shanghai, 200433, China

https://doi.org/10.1016/j.tramat.2025.100003

文章介紹：

自然界生物體展現出卓越的自適應能力，能夠根據外界刺激動態調節自身特性以適應環境變化。受這一仿生學原理啟發，科研人員通過材料合成、制備與加工技術創新，致力于開發具有刺激響應特性的智能材料。其中，液晶聚合物（LCPs）巧妙結合了聚合物網絡彈性與液晶基元的協同效應，可對熱、電、磁、光等多物理場刺激產生可編程的可逆快速響應。現有研究多聚焦于LCPs對單一刺激的形變或變色行為，而實際應用場景中環境參數往往協同變化，因此發展多刺激響應型LCPs對拓展器件多功能性具有重要意義，將為仿生驅動器與智能可穿戴技術帶來突破性應用。

在雙刺激響應LCPs研究領域，目前主要采用功能單體直接聚合策略。本團隊首創性地通過在取向層修飾的液晶盒中共聚偶氮苯單體與二丙烯酸酯交聯劑，成功制備出光-濕度雙響應LCP材料。該交聯LCP薄膜憑借光響應性偶氮苯基團（azobenzene）與濕度敏感羰基（C=O）、醚鍵（C-O-C）的協同作用，可分別朝向紫外光入射方向彎曲和背離濕氣方向形變。Schenning團隊[20]通過將偶氮苯衍生物Disperse Red 1丙烯酸酯引入含氫鍵的液晶體系，開發出具有展曲取向結構的雙響應交聯LCP薄膜，其運動行為由光-濕度信號的精密耦合調控。然而這類直接聚合法存在顯著的官能團耐受性局限——特別是極性基團易引發副反應或阻礙聚合進程。

聚合后修飾（PPM）作為一種在聚合反應后進行化學修飾的方法，為功能基團的引入提供了新途徑，并能有效抑制副反應影響。然而通過（活性）自由基聚合合成的LCP前驅體通常分子量較低，導致機械性能和加工性能欠佳。因此這些活性基團多被用于后交聯反應，而PPM技術對LCP前驅體進行多功能化修飾的固有優勢尚未得到充分開發。我們課題組前期報道了通過開環易位聚合（ROMP）合成的一系列線性LCP（LLCP），其高分子量特性賦予了材料優異的機械性能。基于此，我們提出將ROMP與PPM相結合的創新策略，成功開發出光/濕雙響應型LLCP。該策略先通過ROMP合成高分子量反應性聚合物前驅體，再經PPM進行化學修飾引入功能基團，為制備多功能LCP提供了全新有效方案。這種LLCP可兼容溶液澆鑄、熔融加工等多種成型工藝，展現出構建從一維到三維多尺度驅動器的潛力。這一簡便策略突破了直接聚合法的限制，為開發多刺激響應LCP及多樣化仿生驅動器奠定了基礎。

本研究報道了一種新型光/濕/pH三響應LLCP（圖1）。通過ROMP制備含有光響應偶氮苯介晶的高活性LLCP前驅體，隨后采用PPM技術引入具有濕敏特性的N,N-二甲基乙二胺并最小化副反應影響。特別值得注意的是，材料pH響應特性源自偶氮苯與N,N-二甲基乙二胺基團的協同效應。相較于直接聚合法制備的交聯LCP，這種具有優異加工性能的LLCP可輕松與拉伸聚丙烯膜復合制備雙層薄膜。該復合薄膜展現出卓越的機械性能與形變能力，在濕度刺激下可舉起超自重20倍的玻璃球。進一步組裝的仿生花驅動器在濕氣與酸刺激下能再現自然花卉的綻放、閉合與變色行為。這種多刺激響應LCP的制備策略不僅推動了多功能仿生驅動器的發展，更為新型智能材料的創制提供了可能。

中文摘要：

液晶聚合物（LCPs）兼具聚合物的熵彈性與液晶基元的取向有序性，在仿生驅動器等領域展現出卓越性能。然而與生物體多刺激響應特性不同，目前報道的LCP驅動器大多僅對單一刺激產生響應，因此開發多刺激響應型LCP材料具有重要意義。本研究通過開環易位聚合（ROMP）與聚合后修飾（PPM）相結合的策略，成功制備出對濕度、光和pH值具有三重可逆響應特性的新型LCP材料。