段睿玨， 李磊， 曾憲兵， 郭玉冰

（北京理工大學(xué) 醫(yī)學(xué)技術(shù)學(xué)院， 北京 100081）

1 引言

微結(jié)構(gòu)由于其光學(xué)及物理特性被廣泛用于光學(xué)通訊［1］、表面工程［2］、生物醫(yī)學(xué)［3］、化學(xué)和生物傳感器［4］、微流控［5］等領(lǐng)域。通過精確操控光學(xué)特性［6-8］、改善表面性質(zhì)［9-11］、模仿生物纖毛運(yùn)動(dòng)［12-13］等方式，促進(jìn)了工程和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的一系列創(chuàng)新［14-16］。在實(shí)現(xiàn)這些功能的過程中，需克服微觀尺度效應(yīng)的挑戰(zhàn)，如表面張力、粘性阻力、靜電力等。因此，微結(jié)構(gòu)的精確運(yùn)動(dòng)控制、穩(wěn)定性以及功能化等問題成為主要研究技術(shù)難點(diǎn)。

液晶彈性體作為一種新興智能材料，為微結(jié)構(gòu)的應(yīng)用帶來了新的機(jī)遇。液晶彈性體是液晶聚合物經(jīng)過適度交聯(lián)后得到的一種彈性材料，其結(jié)合了液晶的取向有序性與聚合高分子的橡膠彈性［17］，不僅具有可編程的形狀變化，且能夠?qū)囟?、光?chǎng)、電場(chǎng)、磁場(chǎng)等多種外部刺激做出響應(yīng)［18］，使它們?cè)谥谱鲃?dòng)態(tài)可調(diào)控的微結(jié)構(gòu)方面具有顯著優(yōu)勢(shì)［19］。液晶彈性體的可編程形變能力允許精確設(shè)計(jì)可調(diào)控的微結(jié)構(gòu)，從而滿足特定應(yīng)用的光學(xué)、機(jī)械或化學(xué)性能要求。在光學(xué)應(yīng)用中，液晶彈性體微結(jié)構(gòu)可用于制造可調(diào)諧的光學(xué)元件［20-21］，精確控制光的傳播；在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，可用于制作微型傳感器和藥物輸送系統(tǒng)［22］；在微流控領(lǐng)域，可編程設(shè)計(jì)的形變模式使液晶彈性體微結(jié)構(gòu)可以在低雷諾數(shù)流體環(huán)境下高效運(yùn)動(dòng)，顯著提高流體輸送效率［23］。此外，液晶彈性體在提升材料機(jī)械特性方面也表現(xiàn)優(yōu)異，適用于軟體機(jī)器人和微型執(zhí)行器等領(lǐng)域［24］。

相比較于較大尺度（毫米及厘米）結(jié)構(gòu)，微米尺度的液晶彈性體結(jié)構(gòu)需要更精細(xì)的分子取向控制和更先進(jìn)的微納制造技術(shù)。取向控制在大尺度結(jié)構(gòu)中較容易實(shí)現(xiàn)，但在微米尺度上則需要更復(fù)雜的制造和處理技術(shù)。微小的取向偏差會(huì)導(dǎo)致顯著的性能變化，這就要求在制造過程中實(shí)現(xiàn)極高的取向精度。另外，液晶彈性體微結(jié)構(gòu)的制造需要高精度的微納制造技術(shù)，如激光［25］、3D打?。?6］、精密模壓成型［27］等。微米尺度結(jié)構(gòu)的尺度效應(yīng)也是一個(gè)重要考慮因素。在微米尺度上，材料的表面效應(yīng)和體積效應(yīng)會(huì)發(fā)生改變，可能會(huì)導(dǎo)致非預(yù)期的物理和化學(xué)性質(zhì)變化，如液晶彈性體內(nèi)部分子取向發(fā)生改變。

本文綜述了近年來液晶彈性體微結(jié)構(gòu)的研究進(jìn)展，從微納加工技術(shù)到功能應(yīng)用創(chuàng)新，對(duì)液晶彈性體微結(jié)構(gòu)中的分子取向、微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成型及前沿應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)論述。展望了液晶彈性體微結(jié)構(gòu)在仿生肌肉、生物醫(yī)學(xué)、機(jī)器人驅(qū)動(dòng)、光學(xué)、傳感、表面調(diào)控、信息加密等領(lǐng)域的未來發(fā)展。

2 液晶彈性體微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與成型

相較于其他智能材料，液晶彈性體可以通過分子取向設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)可編程復(fù)雜形變，常見的分子取向設(shè)計(jì)方法有機(jī)械效應(yīng)、表面錨定、磁場(chǎng)和電場(chǎng)等［28］。液晶彈性體在大尺度下實(shí)現(xiàn)取向較為容易，但在微米尺度下面臨諸多挑戰(zhàn)，如依賴于高精度的制造及取向技術(shù)。如果分子取向精度大于微米結(jié)構(gòu)總體尺寸，會(huì)導(dǎo)致在微結(jié)構(gòu)中只有簡(jiǎn)單的均勻單疇取向［29］，極大限制了液晶彈性體微結(jié)構(gòu)的極限尺寸和復(fù)雜形變模式。

目前，液晶彈性體微結(jié)構(gòu)的制作通常有兩類潛在方法。第一類是在大尺度上完成取向后，再通過激光切割［30-31］等微納加工技術(shù)獲得小尺度結(jié)構(gòu)。受取向精度和微觀尺度效應(yīng)的影響，這類方法可能對(duì)微結(jié)構(gòu)的局部取向質(zhì)量產(chǎn)生影響。為解決以上問題，實(shí)現(xiàn)液晶彈性體微結(jié)構(gòu)的復(fù)雜功能形變，第二類方法相繼被提出，即在微結(jié)構(gòu)加工制作的同時(shí)引導(dǎo)分子取向如納米壓?。?2］、3D打?。?3］、雙光子聚合［34］等，是各種微納加工技術(shù)和取向技術(shù)的結(jié)合。我們將簡(jiǎn)單介紹液晶彈性體的取向技術(shù)，并著重介紹液晶彈性體微結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與制造技術(shù)。

2.1 液晶彈性體取向技術(shù)

機(jī)械效應(yīng)通常采用拉伸、剪切、擠壓等方式對(duì)液晶彈性體進(jìn)行取向［35］，通?；趦刹浇宦?lián)［36］的方式制造具有相對(duì)簡(jiǎn)單取向的液晶彈性體。值得注意的是，近年來開發(fā)的擠出式3D打印可以通過設(shè)計(jì)打印路徑引入復(fù)雜的分子取向［37］。機(jī)械效應(yīng)的一個(gè)較大優(yōu)勢(shì)是可以制作厚度較大的具有特定分子取向的液晶彈性體。

表面錨定取向通過表面摩擦、微溝槽、光取向?qū)拥日T導(dǎo)液晶分子沿特定的設(shè)計(jì)方向排列，是實(shí)現(xiàn)液晶彈性體的取向最常用的方法之一［38］。其中，光取向可以通過光敏材料的光學(xué)各向異性實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的圖案化設(shè)計(jì)［39］。Timothy J. White等人通過激光逐像素曝光實(shí)現(xiàn)了5×10-4mm3體素的分子取向［40］，對(duì)機(jī)械響應(yīng)的大小和方向進(jìn)行局部控制，實(shí)現(xiàn)了二維平面向三維立體的轉(zhuǎn)變。陸延青等人［41］與Hiroshi Yokoyama等人［42］使用數(shù)字微反射鏡（DMD）同時(shí)曝光取向接近的像素，大幅提高了取向效率［43］。韋齊和［44］等人通過類似于光刻的超掩模版技術(shù)一次曝光得到了高分辨率液晶取向圖案。表面錨定取向方法由于受限于表面錨定能，只能用于制作厚度小于50 μm的液晶彈性體［45］。

基于液晶分子的磁各向異性，也可通過磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)液晶彈性體的分子取向設(shè)計(jì)。棒狀液晶分子在磁場(chǎng)中表現(xiàn)出各向異性的磁響應(yīng)。當(dāng)施加外部磁場(chǎng)時(shí)，分子長(zhǎng)軸趨向于沿著磁場(chǎng)方向排列，可通過磁場(chǎng)圖案化編程來誘導(dǎo)局部分子取向，構(gòu)建局部形變微結(jié)構(gòu)圖案，實(shí)現(xiàn)扭曲、平面內(nèi)外傾斜、拉伸及微結(jié)構(gòu)組件的協(xié)同變形［19，46］。同理，基于液晶分子的介電各向異性［47］，也可通過電場(chǎng)對(duì)液晶彈性體進(jìn)行取向。由于液晶分子獨(dú)特的介電特性，通常需要較大的電場(chǎng)進(jìn)行取向，因此基于外加電場(chǎng)取向的應(yīng)用較少。

2.2 液晶彈性體微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造

2.2.1 壓印與注塑成型

納米壓印技術(shù)（Nanoimprint Lithography，NIL）作為一種微納尺度加工技術(shù)［48］，在光學(xué)、生物醫(yī)學(xué)及微電子等領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛，其高精度及高通量的特點(diǎn)在構(gòu)建復(fù)雜的液晶彈性體微結(jié)構(gòu)上具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，這對(duì)于液晶彈性體微結(jié)構(gòu)的功能化至關(guān)重要［49］。Albert Schenning等人通過兩步壓印技術(shù)構(gòu)建了一種可切換三維表面微結(jié)構(gòu)的液晶彈性體［32］，如圖1（a）所示。第一步將微結(jié)構(gòu)壓印到液晶彈性體表面進(jìn)行催化聚合，生成低交聯(lián)密度液晶網(wǎng)絡(luò)。第二步使用不同模具再次壓印編輯第二種表面微結(jié)構(gòu)，隨后進(jìn)行紫外光固化二次交聯(lián)。該研究中，液晶彈性體薄膜在40 ℃熱驅(qū)動(dòng)下可顯示出周期性微結(jié)構(gòu)表面，這種通過外場(chǎng)刺激改變表面形貌的功能有可能應(yīng)用于光學(xué)調(diào)節(jié)、信息加密、表面浸潤(rùn)性調(diào)節(jié)等領(lǐng)域。該技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)的液晶彈性體微結(jié)構(gòu)精度可達(dá)6.7 μm。

圖1 液晶彈性體微結(jié)構(gòu)的先進(jìn)制造。（a）兩步壓印技術(shù)［32］；（b）微結(jié)構(gòu)注塑成型技術(shù)［50］；（c）3D打印技術(shù)［52］；（d） 靜電紡絲技術(shù)［55］；（e）雙光子3D打印技術(shù)［29］；（f）激光直寫技術(shù)［56］。Fig.1 Advanced fabrication of liquid crystal elastomer micro-structures. （a） Two-step imprint lithography［32］； （b） Injection molding［50］； （c） 3D printing［52］； （d） Electro-spinning［55］； （e） Two-photon polymerization［29］； （f） Direct laser writing ［56］.

Alissa Potekhina等人采用激光直寫光刻技術(shù)制造溝槽寬2.5 μm、周期4 μm、整體高度40 μm的模具［50］，該尺寸的溝槽可以對(duì)液晶彈性體分子取向產(chǎn)生影響［51］。如圖1（b）所示，用PDMS轉(zhuǎn)印此模具，向空腔中填充液晶彈性體前驅(qū)體溶液進(jìn)行光聚合并脫模，形成了精度達(dá)2.5 μm的液晶彈性體微結(jié)構(gòu)表面。

2.2.2 擠出式3D打印

3D打印是對(duì)液晶彈性體進(jìn)行三維增材制造，將低交聯(lián)的液晶彈性體裝入沉積噴頭加熱至軟化，擠壓出液晶彈性體細(xì)絲并在此過程中或完成一層打印后快速進(jìn)行紫外光固化［33］。打印中分子取向由機(jī)械剪切誘導(dǎo)實(shí)現(xiàn)，剪切力使得分子取向沿噴嘴壁排列。Taylor H. Ware等人開發(fā)了在打印過程中粘性表現(xiàn)良好的液晶彈性體低聚物［52］，如圖1（c）所示，通過編程打印路徑，在85 ℃打印噴頭下制備了有復(fù)雜取向和可設(shè)計(jì)形變的三維結(jié)構(gòu)。該研究打印了正負(fù)高斯曲率區(qū)域相連的液晶彈性體結(jié)構(gòu)，加熱時(shí)每層平面的收縮大于厚度方向的膨脹，結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出體積上36%的可逆形變。該結(jié)構(gòu)可儲(chǔ)存能量來克服不穩(wěn)定性并實(shí)現(xiàn)正高斯曲率結(jié)構(gòu)向負(fù)高斯曲率結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變。Jennifer A. Lewis在邁克爾加成（Michael addition）過程中添加無溶劑的油墨增加粘性用于打印［26］，調(diào)整所施加的壓力確保液晶彈性體細(xì)絲寬度（100 μm寬×125 μm高）在任何打印條件下都大致相同，驅(qū)動(dòng)的最大能量密度達(dá)39 J/kg，實(shí)現(xiàn)了馬鞍型、螺旋、錐形陣列和網(wǎng)狀等復(fù)雜結(jié)構(gòu)。3D打印可制造多尺度的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，但同時(shí)也面臨一些挑戰(zhàn)，如空間分辨率有待提高、噴嘴外直徑較大時(shí)分子取向弱化、擠壓出料的變化可能導(dǎo)致層疊排列液晶彈性體微結(jié)構(gòu)不均勻等，對(duì)于微結(jié)構(gòu)制造精度及質(zhì)量有一定限制?？蓛?yōu)化液晶彈性體墨水來提高強(qiáng)度改善流變特性，調(diào)整噴嘴口內(nèi)外直徑、長(zhǎng)度優(yōu)化分子取向，同時(shí)改變打印策略如速度、溫度來調(diào)整其尺寸大小、結(jié)構(gòu)密度等［53］。

靜電紡絲技術(shù)通過噴頭擠出聚合物纖維，在噴頭與接收板之間施加電壓和紫外光，通過高電壓將聚合的液晶彈性體細(xì)絲收集到接收板。Shengqiang Cai等人利用靜電紡絲技術(shù)開發(fā)了與人類肌肉纖維類似直徑在10～100 μm的液晶彈性體纖維，通過加熱或近紅外光照可呈現(xiàn)60%的驅(qū)動(dòng)應(yīng)變，響應(yīng)速度小于0.2 s、功率密度高達(dá)400 W/kg，在穩(wěn)定溫度場(chǎng)中可自振蕩［54］。基于靜電紡絲技術(shù)，Carlos Sánchez-Somolinos等人提出的熔融靜電紡絲工藝用熔融體代替液體聚合［55］，如圖1（d）所示。同時(shí)采用計(jì)算機(jī)控制接收板來定位接收超細(xì)纖維，從而直接生成高分辨率液晶彈性體微結(jié)構(gòu)，所制成的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)周期低至90 μm。該技術(shù)通過數(shù)字控制、程序化的應(yīng)用提高了制造精度，是傳統(tǒng)打印難以達(dá)到的。

這種象征的易象與“道”相聯(lián)系，也具有形上性的特征。劉若愚在《中國(guó)文學(xué)理論》中認(rèn)為:“在‘形上’的標(biāo)題下，可以包括以文學(xué)為宇宙原理之顯現(xiàn)這種概念為基礎(chǔ)的各種理論”，“在形上理論中，宇宙原理通常稱為‘道'”[12](P20)。宇宙原理僅是“道”的涵義的一部分，《周易》一書多次提到了形而上的“道”，《易傳·系辭》曰：

2.2.3 雙光子聚合制造

雙光子聚合激光直寫技術(shù)（Two-photon Polymerization Direct Laser Writing，TPP DLW）是一種亞微米級(jí)分辨率的微結(jié)構(gòu)成型方法，在飛秒脈沖激光焦點(diǎn)處發(fā)生非線性雙光子吸收，使得由光引發(fā)劑與單體或聚合物混合而成的光敏材料聚合，通過激光路徑的改變實(shí)現(xiàn)空間內(nèi)任意三維物體的打印，適合于光聚合材料微結(jié)構(gòu)制作［34］。Metin Sitti等人采用雙光子打印來實(shí)現(xiàn)交聯(lián)聚合［29］，利用其靈活可調(diào)的性質(zhì)編輯像素塊，實(shí)現(xiàn)3D形狀的創(chuàng)建，液晶彈性體的分子取向通過表面層控制。如圖1（e）所示，用雙光子聚合在玻璃基底上先實(shí)現(xiàn)分辨率為5 μm的微通道圖案，用于液晶彈性體分子取向。再將液晶彈性體前驅(qū)體溶液注入兩片玻璃基底中間，用雙光子聚合實(shí)現(xiàn)三維微結(jié)構(gòu)（懸浮膜、線圈、環(huán)）的構(gòu)建。該技術(shù)通過微通道實(shí)現(xiàn)液晶彈性體圖案化取向編程，再編程激光路徑得到理想三維結(jié)構(gòu)。Metin Sitti等人引入了剪紙結(jié)構(gòu)［57］，用雙光子打印負(fù)泊松比形變結(jié)構(gòu)，將液晶彈性體可逆收縮力作為微結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化驅(qū)動(dòng)源，利用液晶彈性體驅(qū)動(dòng)微結(jié)構(gòu)。此外，光固化3D打印技術(shù)也可以用于液晶彈性體微結(jié)構(gòu)的制造［58］。

TPP為局部精準(zhǔn)設(shè)計(jì)微結(jié)構(gòu)提供了新思路，但可聚合光敏材料性能限制了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，無法保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與保真度，通過優(yōu)化光聚合前驅(qū)體材料可改善微結(jié)構(gòu)性能。如圖1（f）所示，在單疇取向的液晶盒內(nèi)，Albert Schenning用雙光子聚合激光直寫制造一個(gè)網(wǎng)格［56］，構(gòu)建晶格展現(xiàn)結(jié)構(gòu)色，探索了液晶彈性體前驅(qū)體實(shí)現(xiàn)高度交聯(lián)的聚合物網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用潛力，在復(fù)雜幾何形狀制造，如交織織物、木樁和螺旋盤都呈現(xiàn)良好保真度。

3 液晶彈性體微結(jié)構(gòu)的應(yīng)用

3.1 液晶彈性體微驅(qū)動(dòng)器

液晶彈性體編程取向后受到光、熱、電場(chǎng)等刺激會(huì)發(fā)生特定形變來實(shí)現(xiàn)抓握與行走等功能，同時(shí)柔軟的彈性體方便夾取、運(yùn)輸各種形狀的物體。Jinyou Shao等人利用電控液晶彈性體驅(qū)動(dòng)層帶動(dòng)蘑菇狀微結(jié)構(gòu)層［59］，仿照壁虎腳趾微結(jié)構(gòu)被動(dòng)黏附及肌肉主動(dòng)收縮進(jìn)行抓握設(shè)計(jì)，可通過電壓調(diào)節(jié)吸附力大小。

Piotr Wasylczyk等人巧妙設(shè)計(jì)了光學(xué)鉗［60］。如圖2（a）所示，利用光纖浸入液晶彈性體前驅(qū)體溶液中并發(fā)射紫外光，順應(yīng)光纖生長(zhǎng)附著錐形聚合物，可通過調(diào)整紫外光強(qiáng)度與持續(xù)時(shí)長(zhǎng)來調(diào)整微結(jié)構(gòu)大小與聚合趨勢(shì)。光鉗上部沿光纖方向取向，下部垂直于光纖方向，通過光纖發(fā)光進(jìn)行光驅(qū)動(dòng)，兩個(gè)對(duì)稱的錐體結(jié)構(gòu)可以彎曲夾取物體。在光學(xué)元件、光纖傳感器領(lǐng)域，用光纖尖端實(shí)現(xiàn)微結(jié)構(gòu)制造已經(jīng)成熟，但應(yīng)用到光聚合材料的微結(jié)構(gòu)制造中是一種新的思路。光纖上兩個(gè)彎曲的微錐體結(jié)構(gòu)被用來構(gòu)建簡(jiǎn)單的微工具，也可組裝3個(gè)微錐體結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)微鏡傾斜平臺(tái)，具有較大的應(yīng)用潛力。

圖2 微尺度液晶彈性體驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)。（a）光鉗抓手及角度可調(diào)平臺(tái)［60］；（b）光驅(qū)動(dòng)微結(jié)構(gòu)游動(dòng)［62］；（c）光驅(qū)動(dòng)微手［63］；（d）光驅(qū)動(dòng)微結(jié)構(gòu)行走［67］；（e）多模式形變［68］。Fig.2 Liquid crystal elastomer micro-structure actuators. （a） Optical tools for gripper and adjustable plate［60］； （b） Lightdriven micro-swimmer［62］； （c） Light-driven micro-hand［63］； （d） Light-driven micro-walker［67］； （e） Micro-structure with multi-mode programmable shape morphing［68］.

光不僅在液晶彈性體微結(jié)構(gòu)制造中有巨大優(yōu)勢(shì)，還能為微結(jié)構(gòu)提供精確三維驅(qū)動(dòng)，廣泛應(yīng)用于光化學(xué)或光熱效應(yīng)觸發(fā)的液晶彈性體有序-無序分子取向轉(zhuǎn)變，且允許無線、遠(yuǎn)程、局部操作［61］。如圖2（b）所示，Peer Fischer等人通過基于數(shù)字微反射鏡（DMD）結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)光場(chǎng)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜仿生驅(qū)動(dòng)［62］，長(zhǎng)1 mm、直徑200～300 μm的圓柱狀液晶彈性體微型機(jī)器人在光熱效應(yīng)下可以實(shí)現(xiàn)軸向收縮與徑向膨脹，在定向移動(dòng)的周期性光場(chǎng)調(diào)節(jié)下可以產(chǎn)生行波進(jìn)行游泳、爬行。因其運(yùn)動(dòng)軌跡是非往復(fù)運(yùn)動(dòng)從而可以實(shí)現(xiàn)在微小尺度下的運(yùn)動(dòng)。

在微尺度下抓握并不同于宏觀中操作，夾取或放下都需提供大于物體與接觸表面的微觀作用力，改變表面能、拿放方式或提供外力克服黏附力是良好解決辦法。如圖2（c）所示的光驅(qū)動(dòng)微操作手可實(shí)現(xiàn)無線自主抓握［63］，4個(gè)手指保持夾取穩(wěn)定，用光控制閉合。由于局部加熱效應(yīng)，微抓手依據(jù)粒子吸收光譜來選擇是否抓取，有良好自主操作能力。

在低雷諾數(shù)流體中推進(jìn)需要特殊的機(jī)制，打破界面對(duì)稱性，提供凈驅(qū)動(dòng)力［64］，常見驅(qū)動(dòng)模式有仿生鞭毛運(yùn)動(dòng)［65］與非時(shí)間可逆性行走［66］等。如圖2（d）所示，Hao Zeng等人通過減小微型機(jī)器人足部與表面的接觸面積來減小微尺度下的強(qiáng)粘附［67］。用激光直寫固化丙烯酸樹脂做微型機(jī)器人的錐形肢體與作為驅(qū)體的液晶彈性體黏附，液晶彈性體在光響應(yīng)下產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力達(dá)（260±2） kPa，可以比擬人體肌肉的彈性響應(yīng)，在提高功率儲(chǔ)能后可以實(shí)現(xiàn)跳躍，將黏附阻力變?yōu)榭諝庾枇?。該方法?duì)于克服微結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)粘附力有很好的啟發(fā)作用，選擇低粘性材料、減小腿部接觸面積、改善運(yùn)動(dòng)行走方式（傾斜45°創(chuàng)造行走所需的不對(duì)稱）及驅(qū)動(dòng)瞬時(shí)性機(jī)制，從各個(gè)方面優(yōu)化了微型機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。

由于復(fù)雜分子取向?qū)崿F(xiàn)較為困難，液晶彈性體微結(jié)構(gòu)形變大多是伸縮或者彎曲等相對(duì)簡(jiǎn)單的形變，一定程度上限制了液晶彈性體微型機(jī)器人的應(yīng)用。為實(shí)現(xiàn)具有復(fù)雜形變的基于液晶彈性體微結(jié)構(gòu)的微型機(jī)器人，Metin Sitti等人采用雙光子3D打印技術(shù)制作了可設(shè)計(jì)取向的立方體基元，通過基元組裝實(shí)現(xiàn)了具有任意三維初始形狀和分子取向的液晶彈性體微結(jié)構(gòu)［68］。如圖2（e）所示，基元分子取向是通過控制基元打印角度實(shí)現(xiàn)的，基元邊長(zhǎng)在60～100 μm。用UV膠將其組裝成一維、二維、三維結(jié)構(gòu)，在光熱條件下觸發(fā)預(yù)編程的復(fù)雜三維形變。該技術(shù)首次實(shí)現(xiàn)了液晶彈性體三維取向和三維初始形狀的任意設(shè)計(jì)，極大提升了液晶彈性體微結(jié)構(gòu)的形變功能，將有效拓展微型機(jī)器人的應(yīng)用。

3.2 人工肌肉纖維應(yīng)用

受自然啟發(fā)，微纖維結(jié)構(gòu)被開發(fā)作為驅(qū)動(dòng)器與傳感器。肌肉的運(yùn)動(dòng)是由直徑10～100 μm的肌纖維沿軸線收縮引起［69］，液晶彈性體因具有類似肌肉纖維的可逆彈性形變特性，被認(rèn)為是模仿肌肉的最優(yōu)材料之一?；谝壕椥泽w的人工肌肉研究集中于實(shí)現(xiàn)微小尺度下液晶彈性體纖維的高強(qiáng)度與大驅(qū)動(dòng)力，即高的能量密度。

Zhongqiang Yang等人開發(fā)了高扭矩?zé)o末端錨定的旋轉(zhuǎn)纖維［70］，熱觸發(fā)下有良好可逆旋轉(zhuǎn)性能，旋轉(zhuǎn)變形可達(dá)243.6°/mm，比扭矩達(dá)10.1 N·m/kg。如圖3（a）所示，基于兩步交聯(lián)法制造液晶彈性體扭曲纖維，通過拉伸及扭轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)分子取向并通過UV曝光固定，將捻紗技術(shù)與液晶彈性體纖維結(jié)合，提升了材料的強(qiáng)度從而獲得了較大的比扭矩。該研究展示了微型發(fā)動(dòng)機(jī)的概念，將熱能轉(zhuǎn)化為電能，可作為旋轉(zhuǎn)馬達(dá)在微系統(tǒng)中為驅(qū)動(dòng)器提供動(dòng)力。通過調(diào)節(jié)扭轉(zhuǎn)角度可以改變熱驅(qū)動(dòng)性能，同時(shí)可耦合多個(gè)纖維來增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)力。結(jié)合不同材料可以改進(jìn)液晶彈性體纖維的拉伸性能，Huiqi Shao等人將鍍銀尼龍線編織到液晶彈性體纖維中［71］，有效提升了液晶彈性體纖維的韌性，其舉起的重量可達(dá)自身重量的205倍。在圖3（b）中，Anna C. Balazs等人通過磁場(chǎng)設(shè)計(jì)液晶彈性體微柱陣列的分子取向，并通過光特定角度入射使微柱頂部由正方形變?yōu)槠叫兴倪呅?，剪切產(chǎn)生順時(shí)針和逆時(shí)針扭轉(zhuǎn)線性變化，導(dǎo)致扭曲形變，制造了微系統(tǒng)中優(yōu)異的執(zhí)行器［72］。

3.3 可調(diào)控表面

液晶彈性體微結(jié)構(gòu)具有可變的形狀，這些形狀變化可用于物理性質(zhì)的調(diào)節(jié)。Metin Sitti等人用雙光子聚合打印15 μm×15 μm液晶彈性體微結(jié)構(gòu)，并通過改變厚度（1.1～8.2 μm）調(diào)節(jié)偏振結(jié)構(gòu)色［20］。另外，這些偏振結(jié)構(gòu)色也可以在溫度等外加刺激下發(fā)生變化，實(shí)現(xiàn)微型機(jī)器人追蹤及信息加密等應(yīng)用。如圖3（c）所示，Alber Schenning等人通過雙光子聚合超分子膽甾液晶彈性體構(gòu)建了高分辨率網(wǎng)絡(luò)，組成花、蝴蝶、微柱等結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)可以對(duì)濕度、溫度產(chǎn)生響應(yīng)，發(fā)生形狀、顏色變化［73］。

同時(shí)，液晶彈性體微結(jié)構(gòu)形狀變化也可以調(diào)控其他表面物理性能，例如表面浸潤(rùn)性、粘附性［75］、光學(xué)特性［76］等。如圖3（d）所示，Zilliang Wu等人制作了液晶彈性體微柱陣列，通過永磁鐵使液晶分子沿微柱軸向排列，并通過紫外光曝光實(shí)現(xiàn)微柱沿軸向25%的收縮從而改變表面浸潤(rùn)性［74］。

4 結(jié)論

液晶彈性體微結(jié)構(gòu)由于其可編程形變及在物理性能調(diào)節(jié)上的優(yōu)勢(shì)，已在微尺度驅(qū)動(dòng)和應(yīng)用領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大應(yīng)用潛力。目前，軟光刻、雙光子聚合、打印擠出等先進(jìn)技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于液晶彈性體微結(jié)構(gòu)的先進(jìn)制造。這些微結(jié)構(gòu)能夠通過光場(chǎng)、溫度、電場(chǎng)、磁場(chǎng)等外部刺激實(shí)現(xiàn)可編程形變，從而實(shí)現(xiàn)抓握、爬行等功能。

然而，液晶彈性體微結(jié)構(gòu)在制造過程中也面臨著復(fù)雜取向困難、成型質(zhì)量差、分辨率低等挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)有可能通過開發(fā)高精度取向方法、優(yōu)化加工過程、采用微納復(fù)合加工技術(shù)等解決，從而推動(dòng)液晶彈性體微結(jié)構(gòu)朝更精密、更智能的方向發(fā)展。

液晶彈性體微結(jié)構(gòu)由于其強(qiáng)大的形變功能在醫(yī)用微型機(jī)器人領(lǐng)域有著巨大的潛在應(yīng)用價(jià)值，有望在靶向藥物遞送、微創(chuàng)/無創(chuàng)手術(shù)、近距離熱療/放射療法等醫(yī)學(xué)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用［77］。然而，目前液晶彈性體微結(jié)構(gòu)在醫(yī)療功能探索方面還處在初始階段，其生物相容性、可降解性、在人體內(nèi)的運(yùn)動(dòng)控制與追蹤、集群控制等尚需更多的研究。