受自然界中生物体的启发，多功能仿生软体机器人已经成为研究热点，与传统的刚性机器人相比，软体机器人具有高度的顺应性和环境适应性。在各种软体驱动材料中，液晶弹性体（简称为LCE）以其大致动和可逆致动、高可加工性和可编程性等性能而备受关注。但大多数现有的LCE纤维执行器仅限于单轴或有限变形模式，无法实现多功能任务所需的复杂运动。利用LCE纤维等一维材料实现三维可编程变构，是软体机器人领域的重大挑战之一。
从“结绳记事”开始，基于编织技术，人们可以利用天然或人工纤维等一维材料构造出复杂的二维或者三维结构（图1a）。然而，传统编织的几何图案通常是有限的，对纺织专业知识的依赖，复杂的制造工艺和特定的设备限制了纤维驱动器在软体机器人中的应用。浙江大学航空航天学院徐彦教授团队提出了受绳结技艺启发的LCE纤维软体驱动器设计策略（图1b）。采用预先设定的编织样式和手工编织技术，能够实现多维变形结构。基于该设计策略，研制了四种LCE纤维软体驱动器。建立了软体驱动器的变形能力表征模型，并数值和试验验证了各种驱动器的变形能力（图2、图3）。采用编织LCE纤维软体驱动器，构建了可编程机器表面、受心脏启发的软体泵、爬行机器人和游动机器人等一系列软体机器人，验证了该设计策略可以采用一维材料实现复杂的三维可编程变构运动。传统绳结技艺固有的设计灵活性使其能够构建各种三维拓扑结构，表明该设计策略可以进一步拓宽其在多功能驱动器和机器人的应用范围。此外，虽然电驱动LCE纤维是本工作中采用的主要材料，但所提出的设计策略并不局限于这种材料。气动肌肉纤维、形状记忆合金纤维等各种一维材料可以无缝集成到该设计框架中。
2025年2月19日，该工作以“Weaving liquid crystal elastomer fiber actuators for multifunctional soft robotics”为题发表在《Science Advances》上（Sci. Adv. 2025, 11, ads3058），并入选当期的Featured Image，以“Weaving liquid crystal elastomer fiber actuators”为题刊登在期刊网站首页。文章第一作者是浙江大学航空航天学院博士生杨虎啸，徐彦教授为通讯作者。该研究得到国家自然科学基金项目（12472166, 91748209）和浣江实验室专项项目的支持。
链接地址
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ads3058
相关进展
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北理工赵扬研究员ACS Nano：自润滑纺丝水凝胶纤维用于软体机器人制造
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