液晶弹性体（LCE）在受到外界刺激后会发生大幅度、可逆形变，是一种理想的构筑柔性驱动器的高分子材料。例如，具有薄膜或者管状结构的LCE，可以作为抓手实现抓取的任务。就抓手的性质和抓取功能而言，虽然LCE薄膜抓手在单一维度尺寸较小，但受限于二维膜结构，无法在空间实现多个方向抓取。而LCE管状抓手尽管可以多方位灵活抓取，但抓手体积较大，无法进入具有狭窄入口的空间进而无法实现抓取的功能。

为此，清华大学化学系杨忠强团队基于LCE泡沫构筑具有可压缩、可万向弯曲的抓手。不仅通过压缩泡沫体积解决抓手进入狭小入口的问题，还能够利用抓手的万向性实现多方向的抓取动作。

图 1 盐模板法制备LCE泡沫及其相应的形貌表征。

图 2 LCE泡沫的压缩性质

该团队利用两步交联策略，通过盐模板法制备了沿长轴取向的圆柱状LCE泡沫，孔隙率可达75%。由于其多孔结构，因此LCE泡沫具有轻质、可压缩的特点。并且在压缩后，可在一定时间内保持被压缩状态。当泡沫被加热到LCE相转变温度以上时，泡沫的压缩形变则可以快速恢复，同时发生沿取向方向的收缩。当冷却至室温时，泡沫则沿长轴方向伸长至未被压缩的状态。LCE泡沫具有可压缩并且能够保持压缩形变，以及在热刺激下恢复形变的特点，因此可以后续对抓手的形状进行编辑。

图 3 LCE泡沫的热响应性和万向性

在均匀的热场中，泡沫的热形变性能与纯LCE相同，即随着温度升高，微观上LCE取向下降，宏观上产生收缩形变。在不均匀的热场中，由于泡沫的低热导率，远离热源侧比靠近热源侧的温度低，导致两侧LCE收缩幅度不同，使得LCE泡沫向着热源弯曲。泡沫弯曲的幅度也会受到泡沫表面最高温度的影响，最大值可达93 ⁰。由于LCE相变的可逆性，当热源移动时，新的温度梯度会形成，LCE泡沫会朝向新的热源方向弯曲，表现出万向性。

图 4 LCE泡沫抓手的抓取性能

基于泡沫的压缩性和万向性，该团队以简单的柱状泡沫结构作为LCE抓手。该抓手经过压缩后，可以穿过其原本体积无法穿过的狭缝。靠近高温物体时，泡沫受热，压缩形变恢复，并由于温度梯度产生弯曲形变进而抓取物体。将物体移动到温度较低的区域后，抓手随着温度降低，弯曲角度下降，将物体释放。最后，抓手在外力作用下被压缩离开狭缝。由于泡沫的万向性，抓手可以对各个方向的热物体实施抓取而不需要复杂的控制装置，为应急救援等领域提供了新材料和设计思路。LCE泡沫也有望被用于人工肌肉、柔性机器人等领域。

相关成果《Thermal Responsive Liquid Crystal Elastomer Foam-based Compressible and Omnidirectional Gripper》发表在Chemistry - An Asian Journal。清华大学化学系2021级博士生张信宇航同学为第一作者，杨忠强副教授为论文通讯作者。以上工作得到国家自然科学基金和清华大学笃实专项的资助。

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/asia.202300340