Непрерывное изготовление янусных волокон жидкокристаллического эластомера с программируемым актуацией

Умные нити, которые двигаются как мышцы

Представьте одежду, которая стягивается, чтобы согреть вас, или волосоподобные ниточки, которые скручиваются, чтобы захватывать и перемещать объекты как крошечные роботизированные мышцы. В этом исследовании представлен новый тип волокна, которое может скручиваться, завиваться, ползать и даже управлять движением маленьких роботов — при этом оставаясь достаточно прочным, чтобы вплетаться в повседневные ткани.

Учимся у вьющихся растений

Вьющиеся растения, такие как усики, завиваются и скручиваются потому, что материал внутри их стеблей не однороден по всей окружности. Одна сторона уплотняется больше, чем другая, создавая встроенный дисбаланс, который заставляет стебель изгибаться и закручиваться в спираль. Исследователи заимствуют эту идею для проектирования «янусных» волокон — названных в честь двухлицевого римского бога — у которых каждая половина поперечного сечения ведет себя по‑разному. Одна сторона изготовлена из жидкокристаллического эластомера, резиноподобного материала, чья внутренняя упорядоченность меняется при нагреве или освещении и который может сокращаться подобно мышце. Другая сторона — это динамичная полиуретановая сеть, прочная и слегка перенастраиваемая, обеспечивающая прочность и возможность фиксировать новые формы.

Как изготавливают новые волокна

Чтобы превратить эту идею в продукт, который можно производить метрами, команда создала систему непрерывного экструдирования. Два жидких прекурсора, по одному для каждой стороны волокна, проталкиваются через специальное сопло, которое объединяет их в один двухцветный стержень. Как только стержень выходит наружу, ультрафиолетовый свет начинает отверждать обе половины почти с одинаковой скоростью, так что внутренняя граница между ними остается чистой и ровной, не смешиваясь и не распадаясь. Волокно затем проходит через ролики, которые тянут его, выравнивая сегменты жидких кристаллов вдоль длины. Второй этап УФ‑воздействия «фиксации» закрепляет это выравнивание, а мягкий нагрев позже позволяет динамическим связям в поддерживающей половине реорганизоваться и укрепить общую структуру.

Прочные, настраиваемые искусственные мышцы

В результате получается тонкое гибридное волокно, свойства которого можно регулировать, изменяя скорость экструдирования, степень растяжения и относительный поток каждого компонента. Испытания показывают, что эти волокна не только гораздо прочнее обычных жидкокристаллических волокон, но и выдерживают большие деформации без разрушения. При нагреве выше определенной температуры жидкокристаллическая сторона сокращается, в то время как другая сторона сопротивляется, заставляя волокно изгибаться и свиваться в пружины с большими и быстрыми изменениями длины. Поскольку в поддерживающей сети есть связи, способные перестраиваться при повышенных температурах, один и тот же кусок волокна можно «перепрограммировать» в разные спиральные формы — более рыхлые или плотные витки, прямые участки рядом со свернутыми — простым растяжением, нагревом и охлаждением под контролируемыми условиями.

Крошечные роботы и меняющиеся формы тканей

Благодаря этим программируемым свойствам авторы демонстрируют несколько миниатюрных устройств. Отдельные волокна могут обвиваться вокруг и поднимать раскаленные провода в тысячи раз тяжелее себя. При покрытии частицами, поглощающими свет, пучки волокон действуют как ноги для небольшого водоходного робота, который может двигаться вперед или вращаться в зависимости от того, какая сторона освещена инфракрасным светом. Другие волокна формуют градиентные пружины, которые при циклическом нагреве и охлаждении продвигаются по узким трубкам, подражая ползанию гусеницы. Наконец, волокна вплетают в ткань с использованием стандартных текстильных технологий. При растяжении ткани встроенные волокна сворачиваются и распушивают переплетение, запирая больше воздуха и улучшая теплоизоляцию; слабый нагрев возвращает ткань в исходное, более плоское состояние, снижая теплоизоляцию по требованию.

Почему это важно

Для непрофессионалов главный посыл в том, что исследователи нашли способ непрерывно производить волосоподобные двухсторонние волокна, которые одновременно прочны и «умны». Одна сторона обеспечивает движение, похожее на мышечное, в то время как другая дает прочность и способность «запоминать» новые формы. Поскольку такие волокна можно изготавливать в длинных отрезках и они выдерживают обычную обработку, они могут служить строительными блоками для мягких роботов, подвижных тканей и адаптивных устройств, реагирующих на тепло или свет. По сути, работа приближает нас к повседневным материалам, которые незаметно меняют форму, чтобы захватывать, передвигаться или регулировать наш комфорт — все это благодаря скрытому интеллекту их волокон.

Цитирование: Xu, J., Wan, H., Fang, Z. et al. Continuous fabrication of Janus liquid crystal elastomer fibers with programmable actuation. Nat Commun 17, 2254 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-68992-2

Ключевые слова: мягкая робототехника, умные ткани, искусственные мышечные волокна, жидкокристаллические эластомеры, программируемые материалы