纤维驱动器由于其具有良好的柔性和各项异性的驱动能力，常被用于柔性机器人的构筑。针对目前柔性机器人智能化、小型化的需求，采用集成传感与反馈功能的智能纤维驱动器受到关注与青睐。但现有的集成传感与驱动功能的纤维驱动器常使用多层复合的策略，这使得其结构和制备复杂。
为此，清华大学化学系杨忠强课题组通过改良熔融纺丝法制备出液晶弹性体-液态金属同轴纤维（LCE-LM coaxial fiber），其结构简单，具有良好的电热驱动性能，并且能同时对负重和其运动进行感知和反馈。
图1 液晶弹性体-液态金属同轴纤维的制备流程示意图
该团队改良熔融纺丝技术，使得LCE寡聚物在重力作用下一步拉伸取向、交联成型，连续制备LCE-水芯同轴纤维。通过真空灌注液态金属，进一步获得液晶弹性体-液态金属同轴纤维。该制备工艺不仅简化了设备装置，而且能够大批量连续制备LCE纤维，拥有良好的工业和商业前景（已申请相关专利）。
图2 液晶弹性体-液态金属同轴纤维的表征
通过控制制备参数，可以获得具有内外径可调的LCE纤维。内部的液态金属呈现出良好的连通性，赋予LCE-液态金属同轴纤维导电性质。其次，液态金属良好的流动性减少对LCE形变的限制。因此，LCE-液态金属同轴纤维在电刺激下，内部液态金属能产生焦耳热驱动外层的LCE发生收缩，且最大的收缩量能达到40%。
在进一步研究中，该团队发现所制备的LCE-液态金属同轴纤维，不仅能利用电流控制其收缩形变，还能通过电阻变化传感所负载物体质量。此外，在恒定电流驱动纤维运动中，反馈电压的波形变化能实时反馈纤维发生收缩或者舒张的运动状态。此集成传感与驱动功能的LCE-液态金属同轴纤维在经过100次重复质量传感，5000次重复驱动和运动传感后，响应性能未发生明显变化，展示出良好的耐用性。
图3 基于液晶弹性体-液态金属同轴纤维的柔性三臂Delta机器人
最后，该团队基于所制备的同轴纤维进一步开发全柔性的三臂Delta分拣机器人。传统的Delta分拣机器人不仅需要成套的运动设备完成物体的搬运，同时还需要依靠大量的传感器或者复杂的视觉识别系统感知待分选物体种类和机器臂的运动情况。而基于LCE-液态金属纤维所构筑的全柔性三臂Delta分拣机器人，不仅能够通过负载重物后电阻的变化判断物体的质量进而分辨物体，还能在完成物体识别后，进而通过电流控制每条手臂的收缩与舒张从而实现物体的搬运。在运动过程中，通过每条手臂的反馈电压可以实时推知手臂的运动情况，从而帮助操控者更好的判断手臂的运动状态以及是否正常工作。这种传感与驱动一体化的纤维结构，大大简化了驱动器的装置，并且为构建新型简易、智能、小型化驱动传感器提供新的思路。
以上研究成果以《The Integration of Sensing and Actuating based on a Simple Design Fiber Actuator towards Intelligent Soft Robots》为题，发表在Advanced Materials Technologies上。清华大学化学系廖威博士生为第一作者，杨忠强副教授为通讯作者。以上工作得到国家自然科学基金的资助。
论文信息：
The Integration of Sensing and Actuating based on a Simple Design Fiber Actuator towards Intelligent Soft Robots
Wei Liao,Zhongqiang Yang*
Advanced Materials Technologies
DOI：10.1002/admt.202101260
