柔性氣動執行器（SPA）因其良好的生物接觸安全性和方便的驅動方法而廣泛應用於醫療輔助裝置、工業操作員和仿生機械人。 現有的SPA大多基於各向同性柔性聚合物，需要引入額外的高強度約束材料或構建異質結構，在結構中形成機械各向異性，以控制其變形模式。 現有的施工策略無法避免潛在的介面問題或降低材料利用效率。
為此，清華大學化學系楊忠強課題組通過改進的3D列印技術，基於本徵各向異性液晶彈性體（LCE）材料構建了SPA。這種液晶彈性體柔性氣動執行器（LCE-SPA）可以通過對列印路徑進行程式設計來控制LCE的方向，而無需引入額外的高強度收縮材料或異質結構，從而實現不同的空氣動力學變形模式。 
圖1 3D列印構建具有可控取向的LCE空心管在這項工作中，我們開發了一種在旋轉基板上3D列印LCE的技術。 與傳統的使用平面基板的LCE印刷工作相比，它可以直接一步到位地構建表面取向準確可控的LCE中空管。 印刷的LCE空心管在平行和垂直方向上表現出明顯的機械各向異性。 在相同的應變下，沿平行取向的應力可以達到垂直取向的40倍以上。 
圖2 不同取向LCE-SPAS的氣動變形通過列印路徑的設計，構建了具有可控三維取向的LCE-SPAS。 這些LCE-SPAS可以在不同的設定下變形，這取決於取向的機械各向異性 - 長軸縮短，長軸伸長，彎曲和扭轉。 
圖3 複雜取向LCE-SPAS的氣動變形在實際使用環境中，工作往往需要更複雜的變形模式。 這種複雜的變形可以由縮短、伸長、彎曲、扭轉等基本變形的組合組成。 在明確了基本變形與取向的關係後，結合圖2中四種基本變形對應的不同液晶取向，構建了具有複雜變形能力的LCE-SPAS。 
圖4 LCE-SPAS執行不同的任務，然後驗證LCE-SPAS的功能能力。 例如，軸向取向LCE-SPAS可以在80 kPa時提公升約350倍於其重量的重量，將其增加到其原始長度的80%。 圓周取向構建的LCE-SPAS在120 kPa時可伸長至原長的133%，去除氣壓後恢復到原長。 由3個彎曲LCE-SPAS組成的三指柔性夾持器以80 kPa的驅動提公升搖籃。 扭轉取向LCE-SPAS將紙張作為混合紙漿粘附在其下端，並可用作混合物以 30 Hz 的頻率在 30 秒內均勻混合 5 ml 液體。 與普通的熱驅動LCE驅動器相比，這種氣動驅動的LCE驅動器不需要高溫，提供更好的生物安全性，並且在沒有連續熱量輸入的情況下保持變形，從而獲得更好的能源效率。 總而言之，這項工作不僅促進了基於氣動驅動的LCE柔性器件的發展，而且為SPA的構建提供了新的方法和思路。 清華大學化學系廖偉博士該作品的第一作者，楊忠強副教授他是通訊作者。 上述工作得到了國家自然科學**和清華大學獨立研究計畫的支援。
*資訊：廖偉，楊忠強*，3D列印可程式設計液晶彈性體軟氣動執行器，材料地平線，原文鏈結：
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