Multi-stimuli responsive bionic actuators constructed by linear liquid crystal 

polymers

曲线性液晶聚合物的多刺激响应仿生驱动器

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

文章介绍：

自然界生物体展现出卓越的自适应能力，能够根据外界刺激动态调节自身特性以适应环境变化。受这一仿生学原理启发，科研人员通过材料合成、制备与加工技术创新，致力于开发具有刺激响应特性的智能材料。其中，液晶聚合物（LCPs）巧妙结合了聚合物网络弹性与液晶基元的协同效应，可对热、电、磁、光等多物理场刺激产生可编程的可逆快速响应。现有研究多聚焦于LCPs对单一刺激的形变或变色行为，而实际应用场景中环境参数往往协同变化，因此发展多刺激响应型LCPs对拓展器件多功能性具有重要意义，将为仿生驱动器与智能可穿戴技术带来突破性应用。

在双刺激响应LCPs研究领域，目前主要采用功能单体直接聚合策略。本团队首创性地通过在取向层修饰的液晶盒中共聚偶氮苯单体与二丙烯酸酯交联剂，成功制备出光-湿度双响应LCP材料。该交联LCP薄膜凭借光响应性偶氮苯基团（azobenzene）与湿度敏感羰基（C=O）、醚键（C-O-C）的协同作用，可分别朝向紫外光入射方向弯曲和背离湿气方向形变。Schenning团队[20]通过将偶氮苯衍生物Disperse Red 1丙烯酸酯引入含氢键的液晶体系，开发出具有展曲取向结构的双响应交联LCP薄膜，其运动行为由光-湿度信号的精密耦合调控。然而这类直接聚合法存在显著的官能团耐受性局限——特别是极性基团易引发副反应或阻碍聚合进程。

聚合后修饰（PPM）作为一种在聚合反应后进行化学修饰的方法，为功能基团的引入提供了新途径，并能有效抑制副反应影响。然而通过（活性）自由基聚合合成的LCP前驱体通常分子量较低，导致机械性能和加工性能欠佳。因此这些活性基团多被用于后交联反应，而PPM技术对LCP前驱体进行多功能化修饰的固有优势尚未得到充分开发。我们课题组前期报道了通过开环易位聚合（ROMP）合成的一系列线性LCP（LLCP），其高分子量特性赋予了材料优异的机械性能。基于此，我们提出将ROMP与PPM相结合的创新策略，成功开发出光/湿双响应型LLCP。该策略先通过ROMP合成高分子量反应性聚合物前驱体，再经PPM进行化学修饰引入功能基团，为制备多功能LCP提供了全新有效方案。这种LLCP可兼容溶液浇铸、熔融加工等多种成型工艺，展现出构建从一维到三维多尺度驱动器的潜力。这一简便策略突破了直接聚合法的限制，为开发多刺激响应LCP及多样化仿生驱动器奠定了基础。

本研究报道了一种新型光/湿/pH三响应LLCP（图1）。通过ROMP制备含有光响应偶氮苯介晶的高活性LLCP前驱体，随后采用PPM技术引入具有湿敏特性的N,N-二甲基乙二胺并最小化副反应影响。特别值得注意的是，材料pH响应特性源自偶氮苯与N,N-二甲基乙二胺基团的协同效应。相较于直接聚合法制备的交联LCP，这种具有优异加工性能的LLCP可轻松与拉伸聚丙烯膜复合制备双层薄膜。该复合薄膜展现出卓越的机械性能与形变能力，在湿度刺激下可举起超自重20倍的玻璃球。进一步组装的仿生花驱动器在湿气与酸刺激下能再现自然花卉的绽放、闭合与变色行为。这种多刺激响应LCP的制备策略不仅推动了多功能仿生驱动器的发展，更为新型智能材料的创制提供了可能。

中文摘要：

液晶聚合物（LCPs）兼具聚合物的熵弹性与液晶基元的取向有序性，在仿生驱动器等领域展现出卓越性能。然而与生物体多刺激响应特性不同，目前报道的LCP驱动器大多仅对单一刺激产生响应，因此开发多刺激响应型LCP材料具有重要意义。本研究通过开环易位聚合（ROMP）与聚合后修饰（PPM）相结合的策略，成功制备出对湿度、光和pH值具有三重可逆响应特性的新型LCP材料。