Science最新自适应行为仿生成果，中国一作全职加盟港科大

奇物论 · 公众号 · · 2024-12-19 22:43

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近年来对于"智能"软物质执行器（soft actuators）的开发多聚焦于实现 自适应的 复杂仿生结构变形。该类自适应行为常依赖于材料的 非单调的环境响应，即随环境单调变化表现出相反的机械形变 （即多步双向可变性）。可是由于目前大多数软材料仅可实现双稳态切换，从而使得实现更复杂行为需要在双稳态的材料上叠加复杂的几何设计或动力学控制。开发自身具有三稳态的材料可以更加简单且在各个尺度上实现复杂，类生命体中的逻辑行为。

近日，美国哈佛大学Joanna Aizenberg团队（一作为哈佛大学的Yuxing Yao（姚昱星博士，全职入职香港科技大学化工系）以及Atalaya Milan Wilborn）与美国俄亥俄州立大学Xiaoguang Wang（王晓光）团队以及荷兰格罗宁根大学Michael Lerch团队合作， 通过对于分子水平各向异性的液晶分子结构及相态的研究，开发了一种新型的液晶弹性体(LCEs)，展示了多步双向可变形性 。研究成果发表于 Science 上。

该体系基于液晶弹性体构筑，通过端基液晶弹性体（end-on LCEs）设计，通过以下设计实现了材料本征的对于环境的非单调响应：

在聚合前对液晶单体进行单轴排列；
创建了旋转限制较小的侧链端基液晶-聚合物连接结构；
利用液晶聚合过程中产生的定向应力积累。

这种设计导致了两种高阶近晶相（smectic phase）的出现 - 人字形斜向近晶C相(cSmC)和近晶A相(SmA)，这些相很少存在于以前研究的液晶弹性体中。

变形模式

这样的相态变化导致此类液晶弹性体可以通过在聚合过程中对液晶分子排列的磁场控制，实现多种多步双向变形模式：

连续收缩和膨胀；
右手和左手扭转；

向相反方向倾斜。

可扩展性和应用

与通过多材料组分制备的器件相比，单一材料制备的软体执行器可以简单地将这种多步双向可变性普适到各个不同长度尺度下。研究人员展示了：

具有可调张力和振荡频率的微观尺度执行器；
能够反转高斯曲率的宏观(厘米级)LCE圆盘；
对热、光和溶剂等刺激做出响应，并实现多尺度的非单调变形；
可应用于人工肌肉和仿生机器。

研究意义

这项工作为在单组分材料中实现复杂变形提供了新策略，有别于以往依赖多材料符合或外部对于环境场编程的方法。利用在分子层次由相态控制的各项异性，可实现可编程、多步双向变形LCE软执行器。这项研究为开发 模拟生物自适应等复杂行为的先进软材料 开辟了新途径，在软机器人到生物医学工程等领域都有潜在应用。

文献信息：

Programming liquid crystal elastomers for multistep ambidirectional deformability. Science 2024.

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adq6434

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姚昱星博士 在香港科技大学化学与生物工程系，担任助理教授/独立PI。研究方向立足于 软材料、合成生物学和超声技术的交叉领域以实现可在无创精准医疗中应用的类生命体系智能材料 。现诚邀有志于相关领域的优秀人才（包括博士后、博士生、硕士生、访问学者）加入研究团队！

姚昱星博士2013年本科毕业于清华大学化学系化学生物学基础科学班，师从张希院士；2019年在哈佛大学获得化学博士学位，导师为Joanna Aizenberg院士。目前，姚博士在加州理工学院化学工程系及医学工程系从事博士后研究，师从HHMI研究员Mikhail Shapiro教授。姚博士长期致力于智能软材料(soft intelligent materials)，仿生材料 (biomimetic materials)，生物分子超声 (biomolecular ultrasound)等领域的研究。姚博士以第一/共同第一作者在Science, PNAS, Advanced Materials, Science Advances, Macromolecules, Biophysical Journal等期刊发表论文。实验室网站将在近期上线。

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