基于简单结构光纤致动器集成传感与驱动功能，迈向智能软体机器人
一、 研究作者、单位及发表信息
本研究的主要作者是廖伟和杨忠强。作者单位是清华大学化学系，教育部有机光电子与分子工程重点实验室。该研究成果于2021年9月28日收到，2021年11月5日在线发表，最终正式发表于《Advanced Materials Technologies》期刊2022年第7卷，文章编号为2101260。该期刊由Wiley-VCH出版社出版。
二、 学术背景与研究目标
本研究属于软体机器人、智能材料和柔性致动器交叉领域。软体机器人由软材料构成，具有高顺应性和形变能力，能与环境安全交互，在医疗护理、工业操作和紧急救援等领域应用前景广阔。一个完整的软体机器人系统通常包含致动器、传感器、控制器和电源等部件。致动功能使机器人能够运动并与外界交互，传感功能则如同人类的皮肤和眼睛，使控制器能通过分析各种反馈信号了解内部和外部状态。将驱动与传感相结合，软体机器人才能实现与外部世界的互动。因此，集成了传感与驱动能力的软体机器人对于自动化和智能化应用更具吸引力。
光纤致动器因其优异的灵活性和各向异性驱动能力，被广泛用于构建软体机器人。然而，传统仅具有驱动功能的光纤致动器需要与额外的电学或光学传感器结合使用，这增加了系统的组件数量和种类，也提升了复杂性。理想情况下，人们期望光纤致动器除驱动特性外，还能具备传感特性，从而简化结构设计并实现软体机器人的小型化。近年来，已有研究尝试将传感功能集成到光纤致动器中。这些多功能光纤致动器通常可由热、水或电等外部触发驱动，并通过电阻或电容等电信号来感知形变或温度。例如，有研究将具有不同热膨胀系数的弹性体与热塑性聚合物拉制成双层结构纤维，通过集成压阻应变传感器来获取应变反馈；或通过交替排列氧化石墨烯和单壁碳纳米管薄膜并捻成纤维，使其能响应水分并通过电阻变化感知应力；还有研究结合聚合物与无机材料，形成在两个同轴碳纳米管片电极之间包含橡胶鞘层的纤维，利用其介电弹性体结构通过高电压驱动，并通过测量两层碳纳米管之间的电容来感知应变。然而，目前开发的这些集成传感功能的光纤致动器通常需要复杂的多层设计，制造工艺繁琐。
基于此背景，本研究旨在开发一种基于简单结构设计即可集成驱动与传感功能的全电学控制光纤致动器。具体目标是：1）利用一种改进的熔融纺丝方法，制备一种结构简单、易于规模化生产的新型光纤致动器；2）通过巧妙的材料选择（液晶弹性体和液态金属）和结构设计（同轴结构），赋予该光纤同时具备可编程电驱动、大形变、可靠耐久性以及静态质量传感和动态运动过程原位感知的能力；3）作为概念验证，利用该多功能光纤构建一个软体三臂三角洲机器人，演示其物体识别、分拣任务及运动过程原位监测的自动化应用潜力。
三、 详细研究流程与方法
本研究主要包含三个核心流程：液晶弹性体-液态金属同轴光纤的制备与表征、光纤驱动与传感性能的测试与分析、以及基于该光纤的软体三角洲机器人的构建与功能演示。
流程一：LCE-LM同轴光纤的制备与表征 1. 材料合成：研究首先采用一锅法反应合成了液晶弹性体寡聚物。原料为介晶RM257、作为柔性单元的EDDET，以及交联剂DPA。所有化学品未经进一步纯化直接使用。合成后的寡聚物通过差示扫描量热法（DSC）和核磁共振氢谱（1H NMR）进行了表征，确定了其玻璃化转变温度（Tg）、清亮点温度（Tni）以及聚合度。流变测试则表征了其剪切粘度，为后续纺丝温度选择提供依据。 2. 光纤纺丝：研究团队开发了一种改进的熔融纺丝方法来制备LCE空心纤维。该方法的关键创新在于利用纤维自身的重力进行拉伸取向，从而省去了传统方法中复杂的拉伸设备，简化了装置。具体步骤为：将LCE寡聚物装入注射器，在65°C（低于其Tni）下通过气压（90 psi）从双层同轴针头（22G+17G）中连续挤出。同时，通过注射泵以130 µl/min的速度从针头中心引入水作为芯层，以防止挤出的LCE寡聚物相互粘连。挤出的LCE-水同轴纤维在重力作用下下垂，重力拉伸诱导了液晶介晶沿挤出方向排列。当纤维通过位于喷嘴下方5 cm处的两束365 nm紫外光照射区域时，取向的LCE网络被交联固化以保持其取向结构。收集得到的光纤再经紫外光照射30分钟以确保完全交联。随后，将光纤在140°C下干燥以去除水芯，得到LCE空心纤维。为了优化工艺，研究系统考察了不同挤出高度（喷嘴出口与收集基板之间的距离）对纤维热致收缩率和直径的影响，最终选择20 cm作为最佳挤出高度。 3. 液态金属填充：通过真空辅助方法，将液态金属（EGaIn，75 wt% Ga, 25 wt% In）填充到LCE空心纤维的芯层中。具体操作是将光纤一端浸入液态金属中并施加真空20分钟，解除真空后，空心光纤内部的负压将液态金属吸入，从而形成LCE-LM同轴光纤。为进行电学连接和测试，在光纤两端插入铜线（直径0.1 mm），并用紫外固化胶固定接头。 4. 结构表征：对制备的LCE空心纤维和LCE-LM同轴纤维进行了一系列表征。宏观照片显示了填充液态金属后光纤呈银白色光泽。交叉偏振光学显微镜图像显示，当光纤轴与偏振片平行时呈暗场，成45°角时呈亮场，证明了LCE壳层具有良好的取向结构。扫描电子显微镜及其叠加的C、Ga、In元素点分布图清晰地展示了光纤的芯鞘（core-shell）结构，证实液态金属位于LCE壳层的中心。此外，将LCE-LM同轴纤维作为软导线连接LED灯和电池，成功点亮LED，证明了内部LM芯层的良好导电性和连通性。
流程二：光纤驱动与传感性能测试 1. 质量传感能力与耐久性测试：在室温且无电流施加的条件下，测试光纤承载不同重量（1-5g）时的电阻变化。原理是：承载重物时，LCE壳层被拉伸变长变细，迫使内部的流体LM芯层形变为更长更窄的导电通路，根据电阻定律R=ρL/S，电阻R增加；移除重物后，LCE收缩，LM芯层变短变宽，电阻降低。实验记录了光纤交替承载不同重量和静置时的电阻变化曲线，并计算了在0-0.35应变范围内的平均应变因子（Gauge Factor）约为2.341，与理论值2.35非常接近。此外，还测试了光纤反复提起和释放5g重物100次循环的电阻变化，以验证其传感耐久性。研究指出，由于温度对LM电阻率的影响，质量传感仅在室温和无电流条件下进行。 2. 电驱动性能测试：对LCE-LM同轴光纤施加电流，内部LM芯产生焦耳热，加热外部的LCE壳层，引发LCE相变收缩，进而带动整个光纤收缩；电流移除后，光纤通过环境冷却而膨胀。研究测试了不同恒定电流（0.1A至1.5A）下光纤长度变化（以L/L0表示，L0为初始长度）的关系，发现收缩随电流增大而增大，在1.5A时达到平台（L/L0=0.6，即可逆收缩达40%）。同时，记录了不同电流下反馈电压随时间的变化曲线。 3. 原位运动感知能力分析：研究重点分析了驱动过程中反馈电压曲线的特殊现象。当施加高于驱动阈值（0.3A）的电流时，反馈电压会先出现一个尖峰然后下降至平台；当电流降低至0.1A时，反馈电压则先出现一个低谷然后上升。研究表明，这些尖峰和低谷分别对应光纤的收缩和膨胀过程。尖峰的形成是因为：施加电流瞬间，光纤尚未收缩，电阻R保持初始值，根据欧姆定律U=IR，反馈电压U较高；随后LCE迅速受热收缩，迫使LM芯变短变宽，电阻R减小，在恒定电流I下，电压U下降。低谷的形成是相反的过程。尖峰/低谷的宽度则对应光纤完成形变所需的时间。因此，仅通过监测反馈电压的变化模式，即可原位感知光纤是处于收缩还是膨胀状态，以及形变过程的时间信息，这赋予了光纤独特的运动感知能力。 4. 驱动循环耐久性测试：对光纤施加0.1A和1.3A的交替电流，进行5000次驱动循环。结果表明，光纤的收缩/膨胀幅度（L/L0）在整个循环中保持稳定，反馈电压的尖峰和低谷模式也重复性良好，证明了其优异的驱动耐久性。
流程三：软体三臂三角洲机器人的构建与应用演示 为展示LCE-LM同轴纤维在自动化应用中的能力，研究构建了一个软体三臂三角洲机器人。 1. 机器人构建：将三根18厘米长的LCE-LM同轴纤维一端固定于一个等边三角形（边长16厘米）的三个顶点，高度为23厘米；另一端汇集于一点，并悬挂一个微型电磁铁（4.03克）作为夹持器。每根光纤连接到一个三路输出的直流电源，通过计算机软件控制各臂的电流并记录数据（电流、电压、时间）。 2. 物体分拣任务演示：选取三个不同重量（4.38g， 3.45g， 2.36g）和形状的物体作为分拣目标。分拣过程包含三个步骤： * 识别：机器人夹持物体（电磁铁通电），在室温无电流条件下，通过测量承载光纤的电阻变化曲线，并与预设标定曲线（图4b）对比，识别出物体重量（对应特定物体）。 * 运输：根据识别结果，对三根光纤臂施加编程控制的电流，协调其收缩和膨胀，从而在三维空间中移动夹持器，将物体运送到对应的目标区域。整个过程通过实时监测三根臂的反馈电压曲线，操作者可以了解各臂的运动模式（收缩/膨胀）和完成时间，实现运动过程的原位监控。例如，先施加1.0A电流使三臂收缩提升物体（反馈电压出现尖峰），然后调整各臂电流使物体水平移动，最后在目标位置释放物体（电磁铁断电）。 * 复位：将所有臂的电流降至0.1A，机器人恢复初始状态，等待下一个任务。每次新任务前需移除电流并将光纤冷却至室温，以消除温度对LM电阻率的影响，确保质量传感的准确性。 3. 全位置反馈的挑战与展望：研究还探讨了实现机器人全位置实时反馈的可能性。理论上，光纤电阻R与长度L的平方成正比（R=ρL²/V，V为恒定LM体积）。但实际中，电阻R同时受长度L和温度影响的电阻率ρ共同作用。在驱动过程中，焦耳热引起的温度变化对ρ的影响显著，使得仅凭电阻值难以直接解算出精确的长度信息。研究指出，可能的解决方案是结合红外热成像或温度探头获取温度信息以补偿电阻变化，但这会增加系统复杂性，有悖于利用简单结构实现多功能集成的初衷。
四、 主要研究结果及其逻辑关系
本研究在各个流程中取得了一系列相互支撑的重要结果： 1. 成功制备了结构明确的LCE-LM同轴光纤：通过改进的熔融纺丝法和真空填充技术，获得了具有清晰芯鞘结构的光纤。表征结果（偏振光显微镜、SEM、元素分布）证实了LCE壳层的良好取向和LM芯层的连续填充，这为后续的驱动和传感性能奠定了基础。优化挤出高度（20 cm）确保了LCE的最佳取向，从而获得最大的热致收缩响应。 2. 验证了光纤可靠的静态质量传感能力：实验数据表明，光纤电阻随承载重量增加而单调增加，且具有接近理论值的灵敏度。100次循环测试证明了其传感功能的重复性和耐久性。这一结果直接支撑了后续三角洲机器人进行物体重量识别（第一步）的功能。 3. 证明了光纤优异的电驱动与动态运动感知能力：电流-收缩率关系曲线显示，光纤可实现高达40%的可逆收缩，且收缩幅度可通过电流编程控制。更重要的是，对反馈电压曲线的深入分析揭示了其尖峰对应收缩、低谷对应膨胀的规律，这使得通过单一电信号同时实现驱动控制和运动过程原位监测成为可能。5000次驱动循环后性能稳定，证明了其作为耐用致动器的潜力。这些结果是构建可编程、且能自我监控运动状态的软体机器人执行器（第二步和第三步）的核心依据。 4. 成功演示了集成感知与驱动的自动化应用：基于三根LCE-LM同轴光纤构建的软体三角洲机器人，成功完成了对三个不同重量物体的识别、分拣和运输全流程。实验过程中，研究人员不仅通过控制电流编程机器人的运动，还通过实时观察三臂的反馈电压曲线，原位监控了各臂的收缩/膨胀状态和运动时序。这一演示将前述所有基础性能（制备、传感、驱动、感知）整合到一个具体的应用场景中，直观地展示了该多功能光纤在简化软体机器人系统、实现自动化任务方面的巨大潜力。
五、 研究结论与价值
本研究成功开发了一种基于简单同轴结构、集成驱动与传感功能的液晶弹性体-液态金属全电学控制光纤致动器。主要结论如下： * 方法学价值：采用的改进熔融纺丝方法简化了设备，降低了LCE光纤致动器的制备难度与成本，有利于基础研究和未来规模化工业生产。 * 性能优势：同轴结构设计赋予了光纤良好的尺寸稳定性和使用耐久性。基于电学控制，易于与现有电子系统集成，实现精确可编程驱动。集成的传感能力（静态质量传感和动态运动感知）为光纤带来了自动化和智能化的特性。 * 应用前景：作为构建单元，这种多功能LCE-LM同轴光纤在人工肌肉、多功能织物以及更先进的软体机器人等领域具有广阔的应用拓展空间。
本研究的科学价值在于提出并验证了一种通过简单结构设计和多材料组合（LCE与LM）来实现驱动-传感一体化的新策略。其应用价值在于为解决软体机器人系统中传感器与致动器分离导致的系统复杂、集成度低的问题提供了一个有效的解决方案，朝着简化设计、实现软体机器人小型化、便携化和智能化的目标迈进了一步。
六、 研究亮点
七、 其他有价值的补充
研究在讨论部分坦诚地指出了当前技术的局限性：由于温度对液态金属电阻率的显著影响，在驱动（发热）过程中，仅靠电阻信号难以解耦出精确的长度信息以实现全位置反馈。这为未来研究指明了改进方向，例如可能需要引入额外的温度补偿机制或探索其他感知原理。这种对局限性的客观分析增强了研究的严谨性。
这项研究为开发智能、集成、简洁的软体机器人执行器提供了一条富有前景的技术路径。