基于感应加热实现超快、无线和可编程驱动液晶弹性体-液态金属致动器

以下文章来源于液态金属FM ，作者gangsheng

利用焦耳加热可以程序化驱动液晶弹性体（LCE）致动器，然而这种有线的驱动方式限制了其在封闭环境下的应用。近日，斯坦福大学赵芮可团队将液态金属（LM）薄膜封装在LCE中，并利用高频交变磁场使LM内部产生涡流，实现了在数毫秒内无线热驱动该复合材料。此外，作者通过改变磁场的位置实现选择性驱动，通过编程LM的厚度分布实现在不同交变磁场强度下的顺序驱动。最后，作者展示了该复合材料在水下物体操纵，水下爬行机器人、多模态变形结构、以及陆地全向爬行机器人等方面的应用。相关成果以“Liquid Crystal Elastomer - Liquid Metal Composite: Ultrafast, Untethered, and Programmable Actuation by Induction Heating”为题发表在《Advanced Materials》上。

图1. LCE-LM的构建、感应加热机理、和基于图案化液态金属的程序化驱动。(A)由LM夹在两个LCE层之间。(B) 直接打印LCE层和喷涂LM。(C)复合材料感应加热示意图，其中高频交变磁场在LM中产生涡流。(D)快速收缩(复合材料加热)和恢复(复合材料冷却)。(E)LCE圆盘和LM环。(F) LCE圆盘和LM同心圆。

图2.感应加热方形LM(15mm × 15mm)选择性的顺序加热表征。(A) 10层LM方阵的感应加热及其有限元预测欧姆损耗分布和测温分布。(B)欧姆损耗与LM层数的关系。(C)不同层数的LM的升温曲线。(D)选择性加热LM。(E)顺序加热LM。

图3.LCE-LM双层带材的水中驱动波传播运动，物体操纵和爬行。(A)横截面显示的制备样品及其材料组成示意图。(B)螺旋线圈局部加热LM的欧姆损耗分布和温度分布。(C)通过在样品下方移动线圈实现波传播运动。(D)波传播运动的有限元分析。(E)通过局部加热样品在水中操作圆柱体。(F)通过加热和冷却样品使其在水中爬行前进。

图4.弹出式LCE-LM结构及其顺序驱动。(A)样品顶视图和(B)爆炸图。(C)感应加热装置。样品放置在螺旋线圈上的基板上。(D-F)通过改变交变磁场强度顺序驱动LCE-LM结构。

图5.LCE-LM海龟机器人的驱动与全向运动。(A)LCE-LM鳍片的爆炸图。(B)鳍片驱动过程。(C)有限元法预测的鳍片变形。(D)海龟组装示意图。(E)海龟转向运动实验，(F)爬行运动实验(上)和热结构有限元图(下)和(G)海龟联合转向和爬行运动。

论文信息：Maurin, V. et al. Liquid Crystal Elastomer – Liquid Metal Composite: Ultrafast, Untethered, And Programmable Actuation by Induction Heating. Adv. Mater. (2023). https://doi.org:10.1002/adma.202302765

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