本研究由浙江大学材料科学与工程学院的沈鑫（xin shen）以及西湖大学工学院、浙江省3D微纳加工与表征重点实验室的赵琦（qi zhao）和吕久安（jiu-an lv，通讯作者）共同完成。研究成果于2025年以研究论文形式在线发表于 *Advanced Functional Materials*，DOI为10.1002/adfm.202522271。
一、研究背景
该研究属于介电弹性体驱动器（dielectric elastomer actuators, DEAs）领域。DEAs因兼具高速、大行程和高能量密度等优点，被认为是人工肌肉和软体机器人中的理想电—机械软转换器。然而，传统DEAs在实际工程应用中长期受三大关键问题制约：其一，驱动电场强度极高（20–200 V/μm），需要庞大且带有安全隐患的高压电源附件；其二，通常需要刚性的预拉伸支撑框架（prestrain structure, p-structure）来抑制机电不稳定性（electromechanical instability），这显著增大了器件体积、重量与失效风险，并阻碍了与其他软体组件的集成；其三，传统DEAs的变形模式单一，主要局限于面内扩张，难以实现高自由度（high-degree-of-freedom, h-dof）变形。为克服上述问题，本研究提出了一种基于液晶胶体自组装（liquid-crystal-colloid self-assembly）的新型工程平台，构建了具有分级蜂窝状微结构（hierarchically honeycomb-cell-like microstructures）的介电液晶胶体弹性体（dielectric liquid crystal colloid elastomers, D LCCEs），以同时实现低电压驱动、无刚性框架约束及多模式可编程变形。
二、研究内容与流程
研究首先进行了材料设计与合成。DLCCE由两种功能组分构成：其一是离子弹性体（ionic elastomer），以固定阳离子和可自由移动的阴离子为特征，用于提高介电性能；其二是液晶弹性体（liquid crystal elastomer, LCE）基体，用于提供可编程的形状变形能力。研究团队合成了双阳离子单体1,6-二(3-乙烯基咪唑鎓)己烷双[(三氟甲基)磺酰]亚胺（vim TFSI），并通过烯烃点击反应将其共价锚定在聚合物网络中。DLCCE的制备采用以下程序：将vim TFSI、交联剂TATATO、液晶单体RM82、扩链剂DODT、交联剂PETMP及光引发剂I-651溶于二氯甲烷中，充分混合后浇铸于玻璃模具内，在避光条件下室温静置24小时，使溶剂蒸发并驱动液晶胶体自组装，形成均匀分散的聚阳离子微球。随后，将薄膜机械拉伸至原始长度的200%，以嵌入预应变并取向液晶基元；同时，分散的微球被拉伸为椭球微畴。最后，通过紫外光照射引发烯烃点击反应以聚合微椭球并锁定液晶取向。紫外光沿厚度方向衰减形成固化梯度，进而产生方向性的模量梯度，使DLCCE无需硬质约束即可产生面外运动。
在结构表征方面，反射显微成像、透射显微成像、扫描电子显微镜（SEM）和能量色散X射线能谱（EDS）分析证实了DLCCE内部形成了分级蜂窝状微结构。其中，离子弹性体构成“细胞核”，被LCE基体包围，液晶畴壁构成“细胞壁”，许多“细胞”呈有序蜂窝状排列。偏光显微镜和二维广角X射线衍射（2D-WAXD）表明液晶有序参数为0.82。差示扫描量热法测得DLCCE的玻璃化转变温度（Tg）为−13.50 °C，向列—各向同性相转变温度（Tni）为89.03 °C。拉伸测试显示，与纯LCE相比，DLCCE保持了相似的弹性模量和机械柔顺性，其中DLCCE-v膜（加载方向平行于向列指向矢）表现出窄的应力—应变平台，有助于抑制机电不稳定性。
介电性能通过阻抗谱和介电频谱进行系统测试。Nyquist图和Bode相图显示，DLCCE的电荷转移电阻约为8×10^5 Ω，比纯LCE低近两个数量级；在低频下呈电阻行为，表明存在离子体相传输。在20 Hz–20 kHz范围内，DLCCE的介电常数显著高于纯LCE，其在1 kHz下的介电常数为16.12，而纯LCE为10.59，VHB 4910则为4.77。这种增强归因于类内部势垒层电容器（internal barrier layer capacitor, IBLC）效应：绝缘LCE基体阻断空间电荷的长程传导，诱发离域电荷现象，从而增强界面极化。研究还考察了不同vim TFSI摩尔比（0、0.055、0.110、0.220和0.330 mmol）对介电常数的影响，发现聚阳离子含量增加可提高介电常数，但会降低击穿场强，存在介电增强与击穿强度的权衡关系。
电驱动性能测试采用悬臂梁（cantilever）构型，通过施加直流（DC）或交流（AC）电压并记录边缘间距归一化值（d/d0）和曲率变化归一化值（Δκ/Δκmax）来定量评估。DLCCEA的驱动阈值电场低至约0.6 V/μm，远低于纯LCEA（2.35 V/μm）及已有报道的介电液晶弹性体驱动器（约8 V/μm）和VHB 4910驱动器（20 V/μm）。当电场为4.05 V/μm时，DLCCEA可实现完全闭合（d/d0=0%），而纯LCEA需9.41 V/μm。在3.28 V/μm条件下，DLCCEA的归一化曲率变化已达100%，而纯LCEA在相似电场下仅为约26%。在1 Hz方波交流电场驱动下，DLCCEA的驱动时间约为0.07 s，恢复时间约为0.05 s，均显著快于纯LCEA（分别约为0.23 s和0.11 s）。频率响应测试表明，在3.59 V/μm峰值电场下，DLCCEA在0.1、10、100和200 Hz时的峰—谷幅度分别为42.03%、14.18%、7.29%和2.49%，在200 Hz时仍明显优于纯LCEA（0.32%）。在20 Hz、3.59 V/μm条件下连续循环超过100,000次，DLCCEA的峰—谷幅度保持约9.08%，显示出优异的疲劳稳定性。变形模式方面，通过设定液晶指向矢与薄膜短轴成65°或115°，DLCCEA可分别产生左旋或右旋螺旋卷曲；将不同取向区域集成后，可实现扭转、弯曲及弯曲—扭转耦合等多种变形模式。此外，通过在水平方向机械拉伸重取向液晶基元，可使原本沿水平方向弯曲的DLCCEA变为沿垂直方向弯曲；将该薄膜加热至100 °C（高于Tni）可擦除重编程取向，冷却后恢复原始弯曲方向，实现了原位可重构的形状变形。形状变形可靠性测试表明，在25–100 °C热循环中，DLCCE的长度、宽度、厚度和面积变形比均低于纯LCE，说明其形状恢复能力更强。
三、研究结论
该研究提出了一种非常规的工程平台，利用液晶胶体自组装构建分级蜂窝状微结构的介电液晶胶体弹性体，成功克服了传统DEAs的三大瓶颈问题。DLCCE表现出低驱动电场（阈值约0.6 V/μm）、无刚性预拉伸框架、快速响应、宽驱动频带（0.1–200 Hz）以及多模式可编程变形能力（包括定向弯曲、手性扭转、螺旋变形和原位可重构变形）。研究还展示了DLCCEA作为软体抓手、仿蝴蝶拍翼机器人及可携带负载进行可调频率振荡的软体机器人等应用潜力，所有驱动电压均低于4 V/μm。本研究为介电弹性体驱动器的结构可控构建以及高性能电驱动软体机器人的发展开辟了新的方向。
四、研究亮点
本研究的核心亮点在于，通过液晶胶体在介观尺度的自组装，首次在介电弹性体中构建了有序分级蜂窝状微结构，实现了IBLC架构，从而在无需高填料含量和刚性框架的情况下显著提高了介电常数并降低了驱动电场。同时，利用紫外光衰减引起的模量梯度与液晶取向的协同作用，实现了无约束的多模式可编程变形。与传统的物理共混高介电填料方法相比，本方法避免了弹性体刚度大幅增加和介电损耗问题，并通过共价键合提高了复合材料的可靠性。此外，DLCCE的全有机组成与低电压驱动特性使其在可穿戴设备和便携式软体机器人中具有显著优势。