导电液晶弹性体中的动态电流路由技术用于复杂变形执行器

《Advanced Materials Technologies》：Dynamic Current Routing in Conductive Liquid Crystal Elastomers for Complex Deformation Actuators

　　摘要

液晶弹性体（LCEs）是一类有前景的活性材料，用于软体机器人的驱动，能够产生复杂的3D变形。现有的使用LCEs实现复杂变形的方法主要集中在全局刺激以产生一个预编程的3D形状，或者使用光控或多电路方法进行局部刺激以实现多种复杂形状。然而，这些方法存在明显的局限性：单一形状的驱动限制了操作能力；光驱动系统受到遮挡的影响，并且需要不柔顺、笨重的组件，从而影响了紧凑性、柔顺性和移动性；而嵌入式电路设计增加了制造复杂性，并且将可实现的变形限制在嵌入电路的数量上。在这里，我们提出了一种电控驱动方法，称为动态电流路由，该方法利用连续的、均匀的导电LCE表面，仅通过几个输入电极就能产生大量的复杂3D变形。该系统完全柔顺、紧凑、可扩展、通用且可以通过场进行编程。通过多步态、多方向的运动，展示了该驱动器在软体机器人和可穿戴设备应用中的潜力。

1 引言

由于刺激响应性聚合物材料能够提供完全柔顺、轻便和紧凑的系统，因此它们被越来越多地用作软体机器人的执行器[1-3]。刺激响应性执行器（SRAs）利用活性材料在特定刺激（例如温度、湿度、光、化学环境、电场或磁场）作用下单体变化的能力，将能量转换为运动[2, 4, 5]。在自然界中，无脊椎动物通常通过将连续的软体驱动成多种复杂形状来执行不同的功能。例如，通过有节奏地收缩不同的肌肉， jellyfish、海蛞蝓、海蜗牛和尺蠖等动物能够创造出多种适应性步态进行移动。章鱼也能够通过将其软体操纵成不同的形状来模仿其他生物以实现伪装。这种使用相同的软体或连续肌肉产生多种变形的能力使动物能够用最少的组件高效地执行各种功能。现有的关于形状驱动的研究探索了其在伪装[6]、物体操控[7, 8]、适应性运动[9-13]、可穿戴设备[14, 15]和可展开结构[16]中的应用。形状变形驱动可以根据速度、强度、能耗、变形形状复杂性和变形可变性（即使用单个执行器可恢复的变形状态数量）进行评估。现有的关于SRAs的研究主要集中在执行器的速度和强度性能上[3-5, 17]。在这项工作中，我们专注于在不依赖复杂嵌入式机制的情况下提高SRAs变形输出的复杂性和可变性。在各种刺激响应性软材料中，介电弹性体执行器（DEAs）由于它们能够提供高速驱动[18]并且可以电驱动，因此在软体机器人中应用最广泛，这使得它们与现有的电子组件高度兼容且易于集成到可控系统中。然而，由于DEAs的体积变化是由电致伸缩引起的[17]，它们只能表现出全局的、平面的变形。因此，要实现多个自由度（DOF），需要将多个独立可寻址的单DOF DEAs组装成一个系统[19]，并通过选择性地激活不同的组合来产生不同的变形输出[11]。另一方面，LCE是一种有前景的活性材料，能够使用单个执行器实现复杂的变形——如波浪、螺旋、鞍形、有机非欧几里得形状和折叠几何形状[20-24]，并且可以通过多种刺激进行驱动，并且高度可集成以形成复杂系统[25]。此外，与只能表现出全局变形的DEAs不同，均匀的LCE材料可以通过全局和局部刺激产生多种复杂的变形输出。这可以通过在单一材料内施加刺激-响应梯度或多个LC介观分子排列来实现，从而在不同的全局刺激下改变材料的变形输出[22, 26-30]。或者，可以在选定的区域施加局部或图案化的刺激，以在均匀且对齐的材料中诱导选择性变形[10, 24, 31-33]。然而，尽管LCEs具有提供高度可变、复杂和可寻址变形的潜力，但将其独特的形状形成能力整合到功能性软体机器人中面临几个挑战。目前通过局部刺激实现复杂形状的方法主要依赖于外部光源[34]来诱导光热驱动，或者依赖于嵌入在LCE执行器中的多个独立可寻址的电驱动焦耳加热器来实现电热驱动[24, 35]。使用外部光源作为电源面临着遮挡和控制的问题。另一方面，电驱动的形状变形克服了这一限制，同时也提高了执行器的集成性。然而，现有的电驱动LCEs通常依赖于嵌入式电路，这不仅增加了制造复杂性，还限制了执行器的输出，使其受到可以物理集成的电路数量和布置的限制，从而阻碍了真正的多方向控制和通用应用的发展。为了解决这些关键挑战，我们引入了一种完全柔顺的LCE执行器，通过动态电流路由方法进行电控，使用分布式电极来诱导局部和选择性的焦耳加热，以实现多种复杂变形（图1）。我们提出的框架可以在不需要任何嵌入式电路的情况下，在单一材料上生成广泛的可变、复杂和可重复的变形。该执行器由单一均匀材料组成，设计简单，易于制造。结合高度集成和可寻址的控制方法，这种设计使执行器既通用又可扩展。图1在图查看器中打开

2 系统设计

提出的驱动方法基于电诱导的选择性焦耳加热，由两个关键组件组成：（1）采用动态电流路由的驱动控制策略；（2）作为电流分布介质的均匀、连续且导电的LCE表面。

2.1 使用动态电流路由的选择性焦耳加热原理

根据焦耳第一定律，当电流通过导体时，电子与材料原子之间的碰撞会产生以热能形式存在的功率（P）。这种关系在（1）中表达，其中I、R、J和V分别表示电流、电阻、电流密度和导体体积。材料随施加电压的温度升高在（2）中给出，其中T、t、m和c分别表示温度升高、时间和材料的比热容。当加热到向列相到各向同性相变温度时，聚合物链会变得无序，导致沿着导向器n的自发收缩，以及垂直于它的膨胀（图2）。冷却后，向列有序恢复，LCE重新伸长到其原始长度[37]。LCEs中的复杂形状驱动主要通过三种方法实现：（1）非均匀的LC排列模式；（2）多材料或多组件执行器设计；（3）局部驱动[20, 33, 34]。图2在图查看器中打开

电热驱动导电LCE的原理。 (A) 示意图显示了施加的电流与产生的热量之间的关系，以及 (B) 当材料达到某一温度时热诱导变形的方向。首先，可以使用表面排列、3D打印或机械编程等方法制造具有非均匀LC排列模式的LCEs[37]。当均匀刺激时，材料的不同区域会朝相反的方向膨胀或收缩，产生非平面变形，例如平面薄膜转变为能够举起自身重量1000倍的锥形[38]。最近的进展表明，设计具有向列-向列-各向同性相变的LCEs，而不仅仅是向列-各向同性相变，可以在均匀加热下实现三种不同的驱动响应[39]。然而，这代表了目前单材料LCEs通过均匀热刺激驱动的极限。其次，将多种材料整合到具有均匀导向器轮廓的LCEs中也可以产生复杂的非平面形状转换。使用双层设计——将LCE层与具有不同热膨胀系数的第二种材料结合——可以实现简单的偏置弯曲和卷曲变形[40]。通过将多个双层执行器组合成一个系统，可以产生更复杂的卷曲形状和受折纸启发的折叠结构[10, 24]。然而，这种多材料方法需要复杂的机械设计、工作流程、制造过程和控制策略，同时也限制了可实现的变形数量，因为它们只能集成到系统中的材料数量和独立组件的数量。在单一LCE材料内实现多种复杂驱动的最终方法是应用局部刺激，这可以通过光响应或电响应系统来实现。在光响应LCEs中，沿薄膜的方向性光扫描可以诱导局部曲率，从而实现双向爬行或蠕动泵送等运动[32]。通过将选择性光刺激与多材料执行器结合，Cunha等人展示了各种形式的运动，包括一个能够装载、运输和卸载货物的四足微机器人[41]，而Zuo等人展示了一个由三种不同LCE组成制成的软爬虫，能够在三种不同波长的近红外光触发下实现双向运动[27]。然而，光驱动的驱动依赖于无障碍的照明，这限制了其在高度受控环境中的操作，而光传输系统的需求又增加了集成的复杂性。通过导电填充剂进行电驱动提供了一个有前景的替代方案，可以创建紧凑且易于制造的系统，而不牺牲性能。Ford等人将液态金属滴嵌入LCE矩阵中，生成可以通过通电直接驱动的导电弹性体[42]。其他研究则结合了碳黑或碳纳米管来创建能够简单收缩或弯曲的电响应LCE条带或纤维[43, 44]。然而，迄今为止，还没有电子控制方法在均匀LCE内实现多种复杂变形。在这里，我们提出了一种基于动态电流路由的控制策略，使用单一均匀材料组成来实现多种复杂驱动模式。这种方法的多功能性通过多方向运动得到了进一步验证。

1.1 背景

LCEs可以使用各种刺激进行驱动，如热、光、电、湿度、化学信号和磁场[36]。无论采用何种刺激方法，LCEs中的形状变化效果从根本上依赖于聚合物网络中刚性棒状液晶分子（介观分子）排列的可逆破坏。这些介观分子在LC网络中的排列模式由一个导向剂n描述。固定介观分子的排列模式（导向剂n）被称为编程LCE材料。当编程后的材料通过向列相到各向同性相变温度（）加热时，聚合物链会变得无序，导致沿导向剂n的方向自发收缩，并在其垂直方向上膨胀（图2）。冷却后，向列有序恢复，LCE恢复到其原始长度[37]。LCEs中的复杂形状驱动主要通过三种方法实现：（1）非均匀LC排列模式；（2）多材料或多组件执行器设计；（3）局部驱动[20, 33, 34]。图2在图查看器中打开

导电LCE在焦耳加热下的电热驱动原理。 (A) 示意图显示了施加电流与产生的热量之间的关系，以及 (B) 当材料达到某一温度时热诱导变形的方向。首先，可以使用表面排列、3D打印或机械编程等方法制造出具有非均匀LC排列模式的LCEs[37]。当均匀刺激时，材料的不同区域会朝相反的方向膨胀或收缩，产生非平面变形，例如平面薄膜转变为能够抬起自身重量1000倍的圆锥[38]。最近的进展表明，设计具有向列-向列-各向同性相变的LCEs，而不仅仅是向列-各向同性相变，可以在均匀加热下实现三种不同的驱动响应[39]。然而，这代表了目前单材料LCEs通过均匀热刺激驱动的极限。其次，将多种材料整合到具有均匀导向器轮廓的LCEs中也可以产生复杂的非平面形状转换。使用双层设计——将LCE层与具有不同热膨胀系数的第二种材料结合——可以实现简单的偏置弯曲和卷曲变形[40]。通过将多个双层执行器组合成一个系统，可以产生更复杂的卷曲形式和受折纸启发的折叠结构[10, 24]。然而，这种多材料方法的缺点是需要复杂的机械设计、工作流程、制造过程和控制策略，同时也限制了可实现的变形数量，因为它们只能集成到系统中的材料数量和独立组件的数量。在单一LCE材料内实现多种复杂驱动的最终方法是应用局部刺激，这可以通过光响应或电响应系统实现。在光响应LCEs中，沿薄膜的方向性光扫描可以诱导局部曲率，从而实现双向爬行或蠕动泵送等运动[32]。通过将选择性光刺激与多材料执行器结合，Cunha等人展示了各种形式的运动，包括一个能够装载、运输和卸载货物的四足微机器人[41]，而Zuo等人展示了一个由三种不同LCE组成的软爬虫，能够在三种不同波长的近红外光触发下实现双向运动[27]。然而，光驱动的驱动依赖于无障碍的照明，这限制了其在高度受控环境中的操作，而且需要光传输系统，这增加了集成的复杂性。通过导电填充剂进行电驱动为创建紧凑、易于制造的系统提供了一种有前途的替代方案，而不牺牲性能。Ford等人将液态金属滴嵌入LCE矩阵中，生成了一种可以通过通电直接驱动的导电弹性体[42]。其他研究结合了碳黑或碳纳米管来创建能够简单收缩或弯曲的电响应LCE条带或纤维[43, 44]。然而，到目前为止，还没有电子控制方法在均匀LCE内实现多种复杂变形。在这里，我们提出了一种基于动态电流路由的控制策略，使用单一导电表面和均匀材料组成来实现多种复杂驱动模式。这种方法的多功能性通过多方向运动得到了进一步验证。在理论上，对于均匀导电的材料，电阻率（ρ）在整个材料中是恒定的。因此，表面上的电阻分布主要取决于两个端子之间的距离（L），最短的路径具有最低的电阻和最高的电流密度（J）。当通过两点电极施加电流时，由于表面上的电阻分布不均匀，产生的热量也会不均匀，热量分布反映了电流密度（图3A）。在导电LCE表面上，这种不均匀的热量分布会导致不均匀的局部变形。此外，通过改变表面上端子的位置，可以修改热量分布模式（图3B）。因此，我们假设通过动态改变端子位置，可以使用相同的连续导电LCE表面来实现多种形状，从而在驱动器内部生成不同的热量分布模式。

图3 在图形查看器中打开 PowerPoint

(A) 示意图展示了在导电LCE表面上使用两点电极时，（1）电流分布、（2）热量分布和（3）热诱导变形之间的关系。(B) 示意图说明了在不同两点电极位置下预测的电流分布。(C) 提出的4电极和8电极系统的示意布局以及导向剂n的方向。之前关于利用焦耳热驱动导电LCE的研究主要集中在使用固定位置的两个电极。这种方法只能产生一种热量分布模式，因此只能产生一种变形模式。为了使用单个导电LCE驱动器实现多种变形模式，需要多个电极位置。为了实现材料内部端子位置的动态变化，我们设计了一种具有均匀连续导电LCE表面的驱动器，并在其边界固定了一组电极。通过选择性地激活不同的电极组合来生成多种热量模式。在这项工作中，我们测试了四电极和八电极配置的驱动器（图3C）。我们假设一个4电极系统至少可以生成六种独特的模式，而一个8电极系统可以生成28种独特的模式，假设电极的排列顺序不会影响最终形状的变化。

图4 在图形查看器中打开 PowerPoint

导电LCE-CNT驱动器的制造过程：(A) 使用细胞破坏剂将SWCNT分散在溶剂中，(B) 合成SWCNT-LCE前体，(C) 添加DPA催化剂，(D) 将混合物浇铸在玻璃板上并使其聚合，形成多畴LCE薄膜，(E) 在真空烤箱中蒸发溶剂，(F) 机械拉伸材料以产生单畴LCE薄膜，(G) 将薄膜暴露在紫外光下通过光聚合固定单畴排列，(H) 将完成的LCE表面切割成所需的尺寸并连接电极。

图5 在图形查看器中打开 PowerPoint

LCE驱动器和控制装置。(A) 动态电流路由驱动的电子装置的照片，包括(i) 主电源，(ii) DC-HVDC放大器，(iii) 双旋转开关板，以及(iv) 导电LCE驱动器。(B) 2电极导电LCE驱动器的照片。(C) 4电极导电LCE驱动器的照片。(D) 8电极导电LCE驱动器的照片。此外，LCE材料的变形输出受温度变化的影响，并不会立即恢复到原始形状。因此，每次驱动后都会跟随一个恢复期，在此期间热量散发，材料逐渐与周围环境达到热平衡。我们假设在恢复期间快速切换到第二组电极可以生成额外的独特热量分布模式，超越4电极和8电极系统的基本六种和28种模式，从而在基本形状的基础上产生额外的复杂形状。对于N电极系统，同时激活多个r电极时，可能的独特驱动轮廓数量（C）由(4)给出。最后，驱动输出除了是电流及其路径长度的函数外，还受施加电流方向与导向剂n之间关系的控制，这决定了变形的方向。这种关系在第四节中进一步讨论。

2.2 导电LCE表面的制造

为了获得电响应性LCE，我们使用单壁碳纳米管（SWCNT）作为导电纳米填料。SWCNT-LCE材料是使用标准的 двухэтапный тиол-Майклов добавочный процесс（图4）制造的。首先使用细胞破坏剂将SWCNT分散在NMP（N-Метил-2-пирролидон）溶剂中，以制备0.092的SWCNT-NMP溶液。然后通过将RM257（1,4-бис-[4-(3-акрилоксипропилокси)бензоилокси]-2-метилбензол），EDDET（2,2'-(Этилендиокси)диэтанетиол），PETMP（пентаэритритол тетракис(3-меркаптопропионат)）和HHMP（(2-хидроксиэтокси)-2-метилпропиофенон）混合到SWCNT-NMP溶液中，并短暂超声波处理以确保均匀分散。然后添加DPA（дипропиламин）催化剂，将混合物沉积在带有硅间隔器的玻璃板上形成表面。固化过程至少进行八小时，之后将样品放入85度的真空烤箱中至少八小时以蒸发溶剂。所得到的LCE最初处于多畴状态，然后机械拉伸至100%的应变量以诱导均匀的单畴排列。过度拉伸的LCE在室温下放松，恢复到软弹性状态，在这种状态下应变主要由液晶重排而不是聚合物链拉伸来适应。这种放松或“软固定”的应变已被证明是实现最大驱动力的最佳编程应变[22]，我们的材料达到了57%的平衡编程应变。然后将平衡的单畴LCE表面暴露在紫外光下进行光聚合编程过程。当放置在高于某一温度的热板上时，紫外交联材料收缩到其原始长度。冷却时LCE膨胀到最终的50%应变，因为恢复了向列相。我们认为，与编程应变相比，实际驱动应变减少了7%，这是由于CNT与聚合物网络之间的相互作用，这种相互作用已被证明可以调节驱动行为[45]。编程好的导电LCE被切割成所需的形状，并装上电极，这些电极是通过直接编织到LCE中的导电线形成的，以实现完全兼容的连接。实验中使用的LCE驱动器的尺寸和电阻数据在支持信息中提供。导电LCE的平均向列相-各向同性转变温度（τ_N）为（支持信息，S3）。

2.3 动态电流路由装置

在实验中，导电LCE驱动器使用DC外部电源（RS-3005D）进行驱动，电压通过DC-HVDC转换器（XP FS60P-12）放大，输出范围为0–6000V，最大电流为1.67mA（最大功率10W）。为了实现电极选择的快速切换，使用两个旋转开关组装了一个切换装置（图5）。在以下部分，报告的材料电压指的是提供给DC-HVDC转换器的输入电压；因此，材料实际承受的电压高于输入电压。在实验过程中，如果表面温度超过某一阈值或电流施加时间超过2分钟（以先发生者为准），则会切断电源供应，以防止驱动器永久损坏。

3 结果

3.1 电热驱动行为

首先使用两电极系统验证了我们LCE驱动器的电热变形性能，电极间距分别为1厘米和2厘米，施加的电压分别为2伏、3伏和4伏（图6A,B）。

图6 在图形查看器中打开 PowerPoint

比较了不同电极间距、施加电压和导向剂（n）方向下两电极驱动器的驱动性能。(A–C) 在2伏、3伏和4伏电压下操作的驱动器的俯视图，分别对应(A) 电流平行于导向剂且电极间距为1厘米时的情况，(B) 电流平行于导向剂且电极间距为2厘米时的情况，以及(C) 电流垂直于导向剂且电极间距为1.5厘米时的情况。(D) 不同电极间距、施加电压和导向剂方向下的电压（V）、温度（θ）和位移（δ）随时间的变化图。当LCE使用较低电压（2伏）驱动时，在1厘米和2厘米电极间距的情况下，电流产生的热量不足以克服散热；因此，LCE无法达到临界相变温度（T_c）以触发快速显著的变形。在较高电压（3伏）下，随着时间的推移，足够的热量积累，两种电极间距都能达到临界温度并引起显著的变形。在更高电压（4伏）下，材料能够在更短的时间内达到临界温度并实现最大变形潜力。这些观察结果对于确定多电极驱动器的最佳电极间距和驱动电压非常重要。最初的测试是电流平行于导向剂n进行的。接下来，我们测试了电流垂直于导向剂n时的导电LCE的变形行为（图6C）。两种情况之间的主要区别是，当电流平行于导向剂n时，位移发生在收缩方向，位移潜力较大；而当电流垂直于导向剂n时，位移发生在膨胀方向，位移潜力显著较小。这种行为与含有单个导向剂n的LCE的行为一致。这种LCE表面变形行为的方向差异对于预测和理解后续多方向运动实验中的驱动器性能非常重要。第三，我们进行了测试以验证电流方向是否会影响变形行为。使用两电极系统，电流[1–2]与[2–1]驱动产生的变形表现出相似的热量分布和变形输出（支持信息，S5），表明电流方向（即电极的排列顺序）不会显著影响我们的LCE驱动器的变形行为。这一观察结果对于确定包含n电极的驱动器的最大变形输出非常重要。最后，在最初的测试中，我们观察到材料在驱动后某些区域保持热量的时间较长。我们假设这可能是由于SWCNT渗透网络的不均匀性或LCE内部的缺陷造成的。因此，受影响的区域要么接收到更大的电流流动，要么表现出更高的电阻率，从而导致在驱动过程中比其他区域积累更多的热量。这一假设与在8电极驱动器表面每隔1厘米收集的电阻测量结果一致（支持信息，S4）。基于这些观察结果，我们预测在提出的动态电流路由驱动方法下，变形行为对每种材料中独特的SWCNT渗透和缺陷模式非常敏感。由于渗透和缺陷分布因驱动器而异，相同的电极配置和驱动设置可能会在不同驱动器上产生不同的变形行为。这种材料的特性使得使用有限元方法来推导驱动器的控制模型变得具有挑战性。为了解决这个问题，我们采用了数据驱动的方法来开发驱动控制，这将在本节的后面进一步讨论。

3.2 使用动态电流路由实现多复杂变形驱动

接下来，我们使用一个方形四电极驱动器测试了我们的假设，即通过驱动不同的电极组合可以从连续导电表面获得不同的热量分布和变形模式。在我们的初始假设中，我们预测使用四电极系统可以获取六种独特的模式。实验验证了这一假设，展示了六种不同的热量分布和变形模式——a–f，如图7A所示。我们还观察到与应用电流相对于导向剂n的方向相关的不同变形行为，如最初的验证测试所强调的。具体来说，使用电极[1–3]或[2–4]电流平行于导向剂n时会产生收缩，而使用相同电极电流垂直于导向剂n时会产生伸长或膨胀。

图7 在图形查看器中打开 PowerPoint

四电极驱动器的驱动性能。(A) 通过驱动单对电机构成的六种基本变形模式，左侧显示变形后的驱动器照片，右侧显示相应的热图像。(B) 通过连续激活两对电极在基本模式基础上生成的额外变形模式（支持信息S6）。在使用四电极系统的情况下，我们进一步测试了我们的假设，即通过利用驱动周期的恢复期来检索超出基本六种模式的额外独特热分布和变形模式。理论上，使用这种技术可以创建15种额外的独特模式：a–b、a–c、a–d、a–e、a–f、b–c、b–d、b–e、b–f、c–d、c–e、c–f、d–e、d–f和e–f。我们的测试验证了这一假设，其中一些额外的模式在图7B中展示。所实现的3D形状包括各种固有的弯曲折叠（支持信息，S9），这些折叠之前已经通过非均匀导向模式单独实现 [46, 47]。

3.3 利用多复杂变形的顺序驱动实现多方向运动
这种驱动器和控制方法的潜力通过使用多种复杂变形来实现多方向运动来证明。为了产生方向性推进或位移，系统内部需要某种形式的不对称性或各向异性。这可以通过特别设计的腿部产生不同的阻力或拖拽力来实现，或者通过不同身体部分的顺序收缩来生成波的传播，或者通过改变身体形状来产生与外部环境的不均匀相互作用 [48]。鉴于我们的四电极驱动器是单轴设计的，激活一对电极产生的收缩和扩张力会相互平衡，从而导致最小的位移（支持信息，S7）。然而，在第一次激活的变形恢复期间激活第二对电极会改变驱动器与基底之间的接触点，并同时引入收缩力和扩张力之间的不平衡，从而产生净位移，这种位移可以是旋转的或平移的（支持信息，S8）。此外，我们观察到不同的电极组合序列会产生不同的位移潜能。利用这些不同的位移潜能，我们假设通过重复激活不同的电极组合序列可以实现多方向运动。如前所述，给定驱动器的变形行为对其独特的内部渗透和缺陷动力学非常敏感。因此，我们采用了一种数据驱动的方法来确定实现不同方向运动的最佳电极激活序列。首先，通过依次激活系统中所有可能的电极对组合来收集驱动器的位移潜能数据（支持信息，S8）。然后分析得到的数据集并进行比较，以确定每个方向上表现最佳的组合。通过重复激活具有最高变形潜能的组合序列，我们能够在单个均匀导电表面上产生四个方向的行进运动以及旋转运动（图8A；补充视频S1–S5）。此外，使用不同的电极组合也可以实现同一方向的行进运动（补充视频S1），从而提供抗损伤的驱动。图8 在图查看器中打开 PowerPoint

四电极驱动器的多方向和多步态运动性能。（A）时间序列图像显示了依次激活多对电极以产生四个方向的行进运动——左、上、右和下——以及旋转运动（补充视频S1–S5）。左边的照片显示了一个激活周期，而右边的图像描绘了多个周期后的累积位移。（B,C）时间（s）–温度（°C）–位移（cm）图表，分别对应于（B）38 s/周期的较长时间周期和（C）30 s/周期的较短时间周期（补充视频S2）。= 1个周期后的位移。关于我们的驱动器的运动性能，我们做出了几个关键观察，指出了系统改进的潜在方向。首先，我们测试了在较高（38 s/周期）和较低（30 s/周期）的激活周期持续时间下的行进运动（图8B），并观察到驱动器在较长的激活周期下表现最佳。决定性能的因素是启动激活周期时的温度，以获得最佳性能。当周期开始时的表面温度最高低于50°C时，驱动器达到其最大位移潜能。换句话说，激活周期的持续时间和运动速度由散热速率决定。为了提高驱动器的速度，需要进一步改进散热性能，例如通过实施散热器。

我们观察到，各个方向的位移潜能并不相等。如前所述，LCE变形是各向异性的，在含有单个导向剂n的LCE中，沿排列方向的体积变化更大，而在垂直方向上的变化显著较小。因此，驱动器能够沿导向剂n的方向实现更大的步幅和更大的位移，而在垂直方向上的运动能力显著较小。通过在形状编程过程中采用等轴拉伸可以潜在地减轻这种方向偏差。然而，虽然这会导致在多个方向上更均匀的激活，但它必然会降低沿向列型导向剂的激活幅度，相对于此处呈现的单畴LCE [49]。或者，也可以通过顺序运动策略，在特定方向上实现位移潜能较低的方向的运动。例如，如果向下运动无效，可以通过先施加旋转运动，然后是原始的、更有效的向左运动来实现位移。

4 结论
在这项工作中，我们展示了一种紧凑高效的驱动器设计和控制策略，能够使用单个驱动器生成多种复杂变形和类似肌肉的运动——这是目前在可比的刺激响应系统中尚未实现的性能。该驱动器由单一均匀材料制成，不包含嵌入式电路，并且可以使用标准加工方法制造，具有高度的可扩展性。此外，其电可控性和广泛的变形输出使其能够直接与其他电子组件集成，并执行更复杂的任务，从而扩展了LCE驱动器在多功能和通用软体机器人系统中的潜在应用。我们还确定了所提出的驱动器在几个方面的改进潜力。首先，进一步优化SWCNT分散过程将有助于提高LCE的导电性并降低激活所需的电压。此外，这些改进将减少CNT渗透路径和随后的焦耳热响应中的制造引起的变异。因此，这将减少具有相同名义设计和电极配置的皮肤之间的模型重新优化和校准需求，从而使激活行为在不同样本之间更具可重复性。其次，在系统中加入散热器将改善散热性能，缩短激活恢复期，并减少每个激活周期所需的持续时间。第三，在形状编程过程中使用双轴拉伸可以减少激活的方向依赖性和相关的应变输出偏差。这些改进将提高物理驱动器的性能。然而，为了在制造便捷性和可控性之间保持平衡，另一个发展方向是开发一种稳健且多用途的控制和校准方法。在本文中，我们展示了使用启发式方法来获得不同的激活序列。在未来的工作中，我们计划采用基于学习的控制模型进行动态电流路由，以实现复杂的变形序列、设定点目标跟踪，以及利用导电LCE的固有自感能力的闭环控制，如先前报道的 [43]。最后，我们提出的变形激活和控制方法将驱动器的变形输出与其制造和编程过程解耦，具有高度的通用性。在这里，我们展示了其在运动方面的潜力；然而，相同的系统可以很容易地适应其他应用，包括可寻址夹持器、人工肌肉、康复设备和触觉通信接口。这种通用、可集成和可扩展的LCE激活方法扩展了SRAs在软体机器人系统中的功能能力和潜在应用。

本工作得到了科学、创新和技术部以及皇家工程院的资助，依据研究奖学金计划。我们衷心感谢UCL化学系的Adam Clancy博士慷慨捐赠的碳纳米管，并在研究的初期阶段提供了关于溶剂选择的宝贵建议。

作者声明没有利益冲突。

数据可用性声明
支持本研究发现的数据可在本文的补充材料中找到。