可编程多模态致动的胆甾相液晶弹性体空心纤维：超越机械变色

受控移动的多彩纤维

设想一种材料，它不仅像心情戒指一样变色，还能像人工肌肉那样拉伸、挤压和扭转。本研究介绍了这样的纤维：在轻微充气时，它们可以同时改变形状和颜色，为软体机器人、智能织物和通过运动与色调进行可视化传达的传感器开辟了新途径。

从智能液体到类生命纤维

这些纤维由一种特殊材料制成，称为液晶弹性体，它将液晶的有序结构与弹性体的橡胶般柔韧性结合在一起。在胆甾相形态下，这类材料自发形成纳米尺度的螺旋结构，能反射出鲜艳的颜色，类似甲虫壳的虹彩光泽。传统上，胆甾相弹性体主要因拉伸时变色而受重视。然而，其螺旋结构会平均化内部方向性，因此在平面内各方向上通常像普通橡胶一样变形，限制了对形状的精确控制。作者的目标是将这些“只会变色”的材料转变为可完全编程的致动器，使其能执行特定运动，同时仍保留明亮的结构色。

构建记忆方向的空心纤维

为此，团队首先开发了一种模板法来制备壁厚均一且反射色强烈的空心纤维。一种含有棒状构建单元、用于产生螺旋的手性添加剂和专用交联剂的液态混合物被拉入圆柱形模具。随着溶剂缓慢蒸发，液晶自组装成周期性的螺旋结构。随后通过光致交联将该结构固定为固体且柔韧的管状体。起初，内层分子的取向沿纤维长度存在多种方向，因此纤维在平面内各方向的行为几乎相同。通过调节手性添加剂的用量，研究者能将纤维的颜色从红、绿到蓝进行调控，证明他们可以精确控制螺旋的内在螺距。

教会纤维对气压作出响应

关键性进展在于在纤维成型后对其内部“晶粒”进行编程。作者引入了可在适中温度下重排的动态硼酸酯键，这些键可在不破坏整体网络的情况下交换重组。通过在轻微加热的同时拉伸、扭转或充气纤维，他们允许这些键发生交换并在新的全局取向下被冻结。这样他们制备出内部对齐主要沿长度方向、主要沿周向或以受控倾斜形成扭曲图案的纤维。当空气被泵入空心芯部时，不同的取向导致了显著不同的行为。有些纤维在外鼓并同时缩短，有些被拉长，还有些发生剧烈扭转，且所有这些过程中它们的颜色在可见光谱上平滑地发生移动。

形状与色彩背后的隐秘力学

为理解这些复杂运动，研究者建立了一个理论模型，将每根纤维视为具有可编程内部方向场的薄弹性膜。在充气时，纤维壁在周向承受的应力通常高于长度方向。根据分子的初始取向，这种不平衡会促使它们在固体内部旋转——这是耗能很小的过程，并可触发突发且反直觉的形变。例如，沿长度对齐的纤维表现出“平台-顿跃”响应：在临界压力之前几乎无变化，随后突然收缩约一半，而其直径则增长一倍以上。扭曲纤维则展示出更丰富的行为：先向一个方向进一步扭转，随压力增加又部分解扭并反向。在每种情况下，重塑纤维的相同内部重定向也改变了螺旋图案的间距，使反射色向更短、更偏蓝的波长移动。

对未来软体机器的意义

通过结合可编程的内部取向、气动致动和结构色，这些空心纤维在单一材料中同时担当起肌肉与视觉传感器的角色。它们可以以依赖压力的方式膨胀、收缩、延长或扭转，同时通过覆盖可见光范围的鲜明色彩变化来指示自身状态。该工作表明，曾经主要作为变色涂层的材料能够被转化为软体机器人、自适应伪装和智能织物的多功能构件，在这些应用中形状与颜色响应可以共同设计，甚至可以独立调节以实现高度定制的响应系统。

引用: Ma, J., Biggins, J.S., Feng, F. et al. Programmable multimodal actuation in cholesteric liquid crystal elastomer hollow fibers beyond mechanochromism. Nat Commun 17, 4510 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-71050-6

关键词: 液晶弹性体, 胆甾相纤维, 软体机器人, 气动致动器, 机械致色材料