连续制造具可编程驱动的双面液晶弹性体纤维

像肌肉一样运动的智能纤维

想象一下会收紧以为你保暖的衣物，或是像微型机器人肌肉般卷曲以抓取和移动物体的发丝般细线。这项研究介绍了一种新型纤维，能够扭转、盘绕、爬行，甚至为小型机器人提供转向能力——同时它足够结实，可以织入日常织物中。

从攀缘植物中得到的启发

攀缘植物的卷须会卷曲和盘绕，因为茎内材料并非各侧相同。一侧比另一侧更易变硬，产生内在的不平衡，从而使茎弯曲并呈螺旋状。研究人员借鉴了这一思路，设计出“Janus”纤维——以双面神的名字命名——其截面的两半具有不同的行为。一侧是液晶弹性体，这是一种内部有序结构会随热或光改变并能像肌肉一样收缩的弹性材料。另一侧是动态聚氨酯网络，既坚韧又具有一定可重新构型的能力，为纤维提供强度并能锁定新形状。

新型纤维的制备方法

为了将这一构想变成可按米生产的产品，团队搭建了连续挤出系统。两种液态前体——分别对应纤维的两侧——被推动通过一个特殊喷嘴，在那里它们结合成单根双色长丝。长丝一旦出模，紫外光立即开始固化两半，使它们以几乎相同的速度固化，因而两者之间的内界面保持干净和平整，不会混合或断裂。随后纤维通过拉伸辊使其沿长度方向对齐液晶段。第二轮紫外照射“锁定”了这种取向，随后在温和加热下，支撑侧中动态键可重排，从而增强整体结构。

强韧且可调的人工肌肉

最终得到的是一根纤细的混合纤维，其性能可通过调整挤出速度、拉伸量和各组分的相对流量来调节。测试表明，这些纤维不仅比传统液晶纤维强得多，而且在承受大变形时也不易断裂。当加热至某一温度以上时，液晶侧收缩而另一侧产生抵抗，使纤维弯曲并卷成具有大幅且快速长度变化的弹簧。由于支撑网络含有可在较高温度下重排的键， 同一段纤维可以通过在受控条件下拉伸、加热和冷却来“重新编程”为不同的螺旋形态——松或紧的卷、相邻的直段与卷段等。

微型机器人与变形织物

凭借这些可编程行为，作者展示了若干微型器件。单根纤维可以盘绕并提起重量远超其自身数千倍的热电线。涂覆吸光颗粒后，多根纤维束可以作为小型行走于水面的机器人的“腿”，根据红外光照射的侧面不同而前进或转向。其他纤维被制成梯度弹簧，在冷热循环间沿狭窄管道蠕动，模仿尺蠕虫的爬行。最后，这些纤维可用标准纺织技术织入布料。当织物被拉伸时，嵌入的纤维会盘绕并使织物蓬松，困住更多空气以提高保温；轻微加热则使织物恢复原先更平的状态，从而按需降低保暖性。

这项工作的意义

对非专业读者而言，核心信息是：研究人员找到了一种连续制造发丝般细、双面功能纤维的方法，这类纤维既强韧又智能。一侧提供类肌肉的运动，另一侧提供韧性并能“记忆”新形状。由于这些纤维可以长尺生产并能经受日常操作，它们可作为软体机器人、可移动纺织品以及对热或光作出响应的自适应设备的构建单元。本质上，这项工作让我们更接近于那种能悄然重塑自身以抓握、行走或调节舒适度的日常材料——这一切都源于纤维内部隐含的“智能”。

引用: 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

关键词: 软体机器人, 智能纺织品, 人工肌肉纤维, 液晶弹性体, 可编程材料