基于液晶弹性体的柔性光纤及其制备方法和致动应用装置

1.本发明属于柔性光纤技术领域，具体涉及一种基于液晶弹性体的柔性光纤及其制备方法和致动应用装置。


背景技术：

2.柔性致动器具有优异的可折叠、可穿戴和交互舒适性等性能，在软机器人、生理监测、生物电子学、体内探测和智能服装等领域有重要应用，尤其在生物医疗中使用柔性设备进行手术将极大地减缓患者的痛苦。柔性致动器对外界刺激产生响应并进行相应运动，一般由智能响应柔性材料制备得到，其中，光驱动柔性致动器具有响应速度快、固有的电气安全性和抗电磁干扰能力强等显著优点而备受青睐。液晶弹性体作为最常用的光响应柔性材料，因具有对环境要求不高、生物相容性好、驱动应变大等优势而显示出良好的应用前景，被广泛应用于光驱动柔性致动器的制备中。
3.目前已有的光驱动柔性致动器绝大多数由空间光驱动，尽管这种驱动方式的成本较低，但是由于光线只能沿直线传播，因此在易受遮挡的情况下此类柔性致动器的使用会受到限制，且对环境要求高，否则光强容易因环境介质的散射和吸收严重损耗。使用光波导驱动将有效解决空间光驱动所存在的关键问题，能够实现远程操控，避免能量损失(如已有发明专利202110870445.5)。
4.然而，如今现有的光波导致动器的研究发展不成熟、运动范围有限、运动模式单一，难以满足实际使用的需要。因此，开发具有多种运动模式、运动范围大的光波导致动器具有重要的科学价值和应用价值。液晶弹性体材料的器件化和光纤结构的引入使得光驱动柔性致动器的实际应用潜力巨大。


技术实现要素：

5.为了解决现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种基于液晶弹性体的柔性光纤(lceof)及其制备方法和致动应用装置，用于克服空间光驱动受环境的限制，便于应用在软机器人、体内探测、辅助作业等领域。本发明的基于液晶弹性体的柔性光纤包括光致驱动的液晶弹性体纤芯和柔性包层，柔性包层选用透明弹性体。
6.本发明所采取的技术方案是：
7.一种基于液晶弹性体的柔性光纤，包括液晶弹性体纤芯和透明弹性体包层；所述液晶弹性体纤芯中包括液晶弹性体和光响应材料。
8.优选的，所述透明弹性体包括pdms、ecoflex系列材料、聚氨酯弹性体、水凝胶、液晶弹性体中的一种；
9.优选的，所述液晶弹性体由液晶单体和扩链剂制备得到；
10.进一步优选的，所述液晶单体为丙烯酸酯类液晶单体；
11.更优选的，所述丙烯酸酯类液晶单体为1,4-双-[4-(6-丙烯酰氧基己氧基)苯甲酰氧基]-2-甲基苯、4-(3-丙烯酰氧基丙氧基)苯甲酸-2-甲基-1,4-苯酯中的至少一种；
[0012]
优选的，所述光响应材料为铋(ⅲ)化合物、碳纳米材料、分子马达、聚多巴胺、有机染料、偶氮苯材料中的至少一种。
[0013]
优选的，所述液晶弹性体纤芯的折射率大于透明弹性体包层的折射率；所述液晶弹性体纤芯与透明弹性体包层的长度相同；
[0014]
优选的，所述液晶弹性体纤芯的直径为130-1000微米；所述透明弹性体包层的厚度为50-500微米
[0015]
上述基于液晶弹性体的柔性光纤的制备方法，包括以下步骤：
[0016]
(1)分别配制液晶弹性体的前驱体a和透明弹性体的前驱体b，所述液晶弹性体的前驱体a由液晶单体、扩链剂、光引发剂、光响应材料、催化剂和溶剂混合组成；
[0017]
(2)将液晶弹性体的前驱体a和透明弹性体的前驱体b分别注入到共轴双料筒的内料筒和外料筒；使用挤塑法或3d打印法，给共轴双料筒施加压力，挤出或打印出具有芯包结构的柱状体；所述芯包结构包括：液晶弹性体纤芯和透明弹性体包层；
[0018]
(3)将具有芯包结构的柱状体置于紫外光下进行固化，得到基于液晶弹性体的柔性光纤。
[0019]
优选的，步骤(1)所述液晶单体为丙烯酸酯类液晶单体；
[0020]
进一步优选的，所述丙烯酸酯类液晶单体为1,4-双-[4-(6-丙烯酰氧基己氧基)苯甲酰氧基]-2-甲基苯(rm82)、4-(3-丙烯酰氧基丙氧基)苯甲酸-2-甲基-1,4-苯酯(rm257)中的至少一种。
[0021]
优选的，步骤(1)所述扩链剂选自二巯基化合物或三巯基化合物。
[0022]
优选的，步骤(1)所述光引发剂为2-羟基-4'-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮、2-苯基苄-2-二甲基胺-1-(4-吗啉苄苯基)丁酮、2-羟基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮、苯偶酰双甲醚中的至少一种。
[0023]
优选的，步骤(1)所述光响应材料为铋(ⅲ)化合物、碳纳米材料、分子马达、聚多巴胺、有机染料、偶氮苯材料中的至少一种。
[0024]
优选的，步骤(1)所述催化剂为二正丁胺、三乙胺、1,8-二氮杂双环[5.4.0]十一碳-7-烯中的至少一种。
[0025]
优选的，步骤(1)所述溶剂为甲苯、二氯甲烷、二氯乙烷、氯仿、丙酮、四氢呋喃、n,n-二甲基甲酰胺中的一种或两种。
[0026]
优选的，步骤(1)所述透明弹性体的前驱体b包括pdms、ecoflex系列材料、聚氨酯弹性体、水凝胶、液晶弹性体中的一种前驱体。
[0027]
优选的，步骤(1)所述液晶单体和交联剂的摩尔量比为0.5～2.5∶1。
[0028]
优选的，步骤(1)所述光引发剂的摩尔量占液晶单体和交联剂的总摩尔量的0.1％～5％。
[0029]
优选的，步骤(1)所述光响应材料的摩尔量占液晶单体和交联剂的总摩尔量的0.01％～5％。
[0030]
优选的，步骤(1)所述催化剂的摩尔量占液晶单体和交联剂的总摩尔量的0.01％～5％。
[0031]
优选的，步骤(1)所述溶剂和液晶单体的摩尔量比为0.1～10：1。
[0032]
优选的，步骤(2)所述液晶弹性体纤芯的折射率大于透明弹性体包层的折射率。
[0033]
优选的，步骤(2)所述液晶弹性体纤芯与透明弹性体包层的长度相同。
[0034]
优选的，步骤(3)所述固化时间为1min～60min。
[0035]
本发明的基于液晶弹性体的柔性光纤的致动应用装置，包括光源1、石英光纤2、具有纤芯3和包层4结构的基于液晶弹性体的柔性光纤；所述光源1的输出端通过石英光纤2连接到基于液晶弹性体的柔性光纤的纤芯3；所述具有纤芯3和包层4结构的基于液晶弹性体的柔性光纤为上述的基于液晶弹性体的柔性光纤。
[0036]
优选的，所述光源为led光源、半导体激光器或光纤激光器。
[0037]
优选的，所述光源的波长是全波段。
[0038]
本发明的基于液晶弹性体的柔性光纤的致动应用装置由单路或多路致动应用装置构成。其中单路致动应用装置中的单根基于液晶弹性体的柔性光纤对应于单路激发光源；多路致动应用装置中的多根基于液晶弹性体的柔性光纤则并行、集束或编织组成柔性光纤阵列，并对应于多路激发光源，且每路激发光源单独输出。通过调整输入光强度、波长、角度、偏振等参数来控制阵列中每根柔性光纤的运动，从而实现光纤阵列的不同运动模式、方向或距离。
[0039]
一种柔性致动器，其包括上述基于液晶弹性体的柔性光纤的致动应用装置或由上述基于液晶弹性体的柔性光纤的致动应用装置制备得到。
[0040]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0041]
(1)本发明制备出基于液晶弹性体的柔性光纤，通过普通石英光纤与基于液晶弹性体的柔性光纤相耦合，可以实现激发光的高效导入和传输，进一步有效实现实时、原位、远程、精准的致动，极大提升了光致驱动器件的实用性。
[0042]
(2)利用光响应材料与液晶弹性体复合制备的柔性光纤具有低光损耗和高光驱动力，能够实现轴向驱动，既提高了激发光的使用效率，又能进行信息传输，同时也很容易排除外界环境的干扰。
[0043]
(3)基于液晶弹性体的柔性光纤经过透明弹性体的封装，提高了柔性光纤的稳定性，同时使得柔性光纤免受灰尘杂质等的干扰。
[0044]
(4)本发明可以集成多根基于液晶弹性体的柔性光纤制备成阵列器件，可实现更多样的功能，如仿生手指、辅助运动等。
附图说明
[0045]
图1是本发明实施例中基于液晶弹性体的柔性光纤及致动应用装置的结构示意图；
[0046]
图2是本发明实施例1的基于液晶弹性体的柔性光纤及致动应用装置中基于液晶弹性体的柔性光纤的应变与激发光强度变化的关系曲线图；
[0047]
图3是本发明实施例2的基于液晶弹性体的柔性光纤及致动应用装置中基于液晶弹性体的柔性光纤的光强损耗与传输长度的关系曲线图；
[0048]
图4是基于液晶弹性体的柔性光纤及致动应用装置中多路致动应用装置的结构示意图；
[0049]
图1中：1—光源，2—石英光纤，3—基于液晶弹性体的柔性光纤纤芯，4—透明弹性体包层。
具体实施方式
[0050]
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
[0051]
实施例1：
[0052]
基于液晶弹性体的柔性光纤的制备方法。
[0053]
(1)配制液晶弹性体的前驱体a：将0.5886g液晶单体1,4-双-[4-(3-丙烯酰氧基丙氧基)苯甲酰氧基]-2-甲基苯和0.1823g扩链剂2,2
’‑
(1,2-乙二基双氧代)双乙硫醇、10μl铋(ⅲ)化合物的甲苯溶液(0.3mol/l)、0.4mg光引发剂2-羟基-4
′‑
(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮、2mg催化剂二正丁胺溶解于500μl甲苯溶剂并混合均匀。配制透明弹性体的前驱体b：将ecoflex硅胶00-30a和b按照质量比1:1的比例混合均匀。
[0054]
(2)将液晶弹性体的前驱体a和透明弹性体的前驱体b分别注入到共轴双料筒的内料筒和外料筒；使用挤塑法，给共轴双料筒施加压力，挤出长为10cm、纤芯直径和包层厚度分别为500μm和200μm的芯包结构的柱状体；所述芯包结构包括：液晶弹性体纤芯和透明弹性体包层。
[0055]
(3)将具有芯包结构的柱状体置于紫外光下进行固化3min，得到基于液晶弹性体的柔性光纤。
[0056]
本实施例中，基于液晶弹性体的柔性光纤中液晶弹性体纤芯的折射率大于透明弹性体包层的折射率；所述液晶弹性体纤芯与透明弹性体包层的长度相同。
[0057]
实施例2：
[0058]
基于液晶弹性体的柔性光纤的制备方法。
[0059]
(1)配制液晶弹性体的前驱体a：将1.344g液晶单体1,4-双-[4-(6-丙烯酰氧基己氧基)苯甲酰氧基]-2-甲基苯和0.316g扩链剂乙二醇二(3-巯基丙酸酯)、0.2mg石墨烯微片、3mg光引发剂2-羟基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮、6.7mg催化剂三乙胺溶解于1ml二氯甲烷溶剂并混合均匀。配制透明弹性体的前驱体b：将pdms单体和固化剂(sylgard 184)按照质量比10:1的比例混合均匀。
[0060]
(2)将液晶弹性体的前驱体a和透明弹性体的前驱体b分别注入到共轴双料筒的内料筒和外料筒；使用3d打印法，给共轴双料筒施加压力，打印出长为15cm、纤芯直径和包层厚度分别为400μm和100μm的芯包结构的柱状体；所述芯包结构包括：液晶弹性体纤芯和透明弹性体包层。
[0061]
(3)将具有芯包结构的柱状体置于紫外光下进行固化5min，得到基于液晶弹性体的柔性光纤。
[0062]
本实施例中，基于液晶弹性体的柔性光纤中液晶弹性体纤芯的折射率大于透明弹性体包层的折射率；所述液晶弹性体纤芯与透明弹性体包层的长度相同。
[0063]
实施例3：
[0064]
基于液晶弹性体的柔性光纤的制备方法。
[0065]
(1)配制液晶弹性体的前驱体a：将1.1772g液晶单体1,4-双-[4-(3-丙烯酰氧基丙氧基)苯甲酰氧基]-2-甲基苯和0.4205g扩链剂乙二醇双氢硫乙酸、0.0032g偶氮苯、0.0029g光引发剂2-苄基-2-二甲基氨基-1-(4-吗啉苯基)丁酮、
[0066]
0.0014g催化剂三乙胺溶解于0.6ml丙酮溶剂并混合均匀。配制透明弹性体的前驱
体b：将聚氨酯预聚体和固化剂(clear flex 30)按照质量比1:1的比例混合均匀。
[0067]
(2)将液晶弹性体的前驱体a和透明弹性体的前驱体b分别注入到共轴双料筒的内料筒和外料筒；使用3d打印法，给共轴双料筒施加压力，打印出长为8cm、纤芯直径和包层厚度分别为300μm和300μm的芯包结构的柱状体；所述芯包结构包括：液晶弹性体纤芯和透明弹性体包层。
[0068]
(3)将具有芯包结构的柱状体置于紫外光下进行固化10min，得到基于液晶弹性体的柔性光纤。
[0069]
本实施例中，基于液晶弹性体的柔性光纤中液晶弹性体纤芯的折射率大于透明弹性体包层的折射率；所述液晶弹性体纤芯与透明弹性体包层的长度相同。
[0070]
实施例4：
[0071]
基于液晶弹性体的柔性光纤的致动应用装置，如图1所示，包括光源1、石英光纤2、具有纤芯3和包层4结构的基于液晶弹性体的柔性光纤；
[0072]
其中光源1为输出波长为808nm的半导体激光器；石英光纤2选用多模石英光纤；具有纤芯3和包层4结构的基于液晶弹性体的柔性光纤选用实施例1制备得到的柔性光纤。
[0073]
本实施例中所述致动应用装置为单路致动应用装置，即单根基于液晶弹性体的柔性光纤对应于单路激发光源。
[0074]
实施例5：
[0075]
基于液晶弹性体的柔性光纤的致动应用装置，如图1所示，包括光源1、石英光纤2、具有纤芯3和包层4结构的基于液晶弹性体的柔性光纤；
[0076]
其中光源1为输出波长为980nm的光纤激光器；石英光纤2选用多模石英光纤；具有纤芯3和包层4结构的基于液晶弹性体的柔性光纤选用实施例2制备得到的柔性光纤。
[0077]
本实施例中所述致动应用装置为单路致动应用装置，即单根基于液晶弹性体的柔性光纤对应于单路激发光源。
[0078]
实施例6：
[0079]
选用实施例4所述基于液晶弹性体的柔性光纤的致动应用装置，启动半导体激光器，波长为808nm的激发光通过普通石英光纤输入基于液晶弹性体的柔性光纤，通过调节激发光输入功率，测量基于液晶弹性体的柔性光纤的轴向长度，得到基于液晶弹性体的柔性光纤的收缩应变与激发光强度变化的关系曲线图，如图2所示。
[0080]
由图2所示，实施例4的基于液晶弹性体的柔性光纤的收缩应变随着激发光的输入强度的增加而增大，最大收缩应变为43％，表现出优异的轴向光致动性能，体现了本发明基于液晶弹性体的柔性光纤作为光纤驱动柔性致动器的可行性与实用性。
[0081]
实施例7：
[0082]
选用实施例5所述基于液晶弹性体的柔性光纤的致动应用装置，启动光纤激光器，波长为980nm的激光通过普通石英光纤输入基于液晶弹性体的柔性光纤，使用功率计采集激光通过基于液晶弹性体的柔性光纤后剩余光强度，计算得到基于液晶弹性体的柔性光纤的光强损耗与传输长度的关系曲线和拟合曲线图，如图3所示。
[0083]
由图3所示，实施例2的基于液晶弹性体的柔性光纤的损耗约为1.36db/cm，表现出良好的轴向光传输性能，体现了本发明基于液晶弹性体的柔性光纤作为柔性光纤的可行性与实用性。
[0084]
由图4所示，本发明基于液晶弹性体的柔性光纤的致动应用装置中多根基于液晶弹性体的柔性光纤并行集成柔性光纤阵列器件的结构示意图。该阵列器件由4根相同的基于液晶弹性体的柔性光纤集束组成，对应于多路激发光源，且每路激发光源单独输出。通过调节每根基于液晶弹性体的柔性光纤的输入光强度、波长、角度、偏振等参数来控制阵列中每根柔性光纤的运动，可使该阵列器件实现不同运动模式、方向或距离。本发明基于液晶弹性体的柔性光纤及其致动应用装置极大地扩展了柔性光纤的实际应用范围，为多个领域提供了一种性能极佳的光波导驱动的致动器件。
[0085]
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限定。凡本领域的技术人员利用本发明的技术方案对上述实施例作出的任何等同的变动、修饰或演变等，均仍属于本发明技术方案的范围内。

技术特征：
1.一种基于液晶弹性体的柔性光纤，其特征在于，包括液晶弹性体纤芯和透明弹性体包层；所述液晶弹性体纤芯包括液晶弹性体和光响应材料。2.根据权利要求1所述的基于液晶弹性体的柔性光纤，其特征在于，所述透明弹性体包括pdms、ecoflex系列材料、聚氨酯弹性体、水凝胶、液晶弹性体中的一种；所述液晶弹性体由液晶单体和扩链剂制备得到；所述液晶单体为丙烯酸酯类液晶单体；所述丙烯酸酯类液晶单体为1,4-双-[4-(6-丙烯酰氧基己氧基)苯甲酰氧基]-2-甲基苯、4-(3-丙烯酰氧基丙氧基)苯甲酸-2-甲基-1,4-苯酯中的至少一种；所述光响应材料为铋(ⅲ)化合物、碳纳米材料、分子马达、聚多巴胺、有机染料、偶氮苯材料中的至少一种。3.根据权利要求1所述的基于液晶弹性体的柔性光纤，其特征在于，所述液晶弹性体纤芯的折射率大于透明弹性体包层的折射率；所述液晶弹性体纤芯与透明弹性体包层的长度相同；所述液晶弹性体纤芯的直径为130-1000μm；所述透明弹性体包层的厚度为50-500μm。4.权利要求1～3任一项所述基于液晶弹性体的柔性光纤的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)分别配制液晶弹性体的前驱体a和透明弹性体的前驱体b，所述液晶弹性体的前驱体a由液晶单体、扩链剂、光引发剂、光响应材料、催化剂和溶剂混合组成；(2)将液晶弹性体的前驱体a和透明弹性体的前驱体b分别注入到共轴双料筒的内料筒和外料筒；使用挤塑法或3d打印法，给共轴双料筒施加压力，挤出或打印出具有芯包结构的柱状体；所述芯包结构包括：液晶弹性体纤芯和透明弹性体包层；(3)将具有芯包结构的柱状体置于紫外光下进行固化，得到基于液晶弹性体的柔性光纤。5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述液晶单体为丙烯酸酯类液晶单体；所述丙烯酸酯类液晶单体为1,4-双-[4-(6-丙烯酰氧基己氧基)苯甲酰氧基]-2-甲基苯、4-(3-丙烯酰氧基丙氧基)苯甲酸-2-甲基-1,4-苯酯中的至少一种；所述扩链剂选自二巯基化合物或三巯基化合物；所述光引发剂为2-羟基-4'-(2-羟乙氧基)-2-甲基苯丙酮、2-苯基苄-2-二甲基胺-1-(4-吗啉苄苯基)丁酮、2-羟基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮、苯偶酰双甲醚中的至少一种；所述光响应材料为铋(ⅲ)化合物、碳纳米材料、分子马达、聚多巴胺、有机染料、偶氮苯材料中的至少一种；所述催化剂为二正丁胺、三乙胺、1,8-二氮杂双环[5.4.0]十一碳-7-烯中的至少一种；所述溶剂为甲苯、二氯甲烷、二氯乙烷、氯仿、丙酮、四氢呋喃、n,n-二甲基甲酰胺中的一种或两种；步骤(1)所述透明弹性体的前驱体b包括pdms、ecoflex系列材料、聚氨酯弹性体、水凝胶、液晶弹性体中的一种前驱体。6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述液晶单体和交联剂的摩尔量比为0.5～2.5：1；所述光引发剂的摩尔量占液晶单体和交联剂的总摩尔量的0.1％～5％；所述光响应材料的摩尔量占液晶单体和交联剂的总摩尔量的0.01％～5％；所述催化剂的摩尔量占液晶单体和交联剂的总摩尔量的0.01％～5％；所述溶剂和液晶单体的摩尔量比为0.1～10：1；
步骤(3)所述固化时间为1min～60min。7.一种基于液晶弹性体的柔性光纤的致动应用装置，其特征在于，包括光源(1)、石英光纤(2)、具有纤芯(3)和包层(4)结构的基于液晶弹性体的柔性光纤；所述光源(1)的输出端通过石英光纤(2)连接到基于液晶弹性体的柔性光纤的纤芯(3)；所述具有纤芯(3)和包层(4)结构的基于液晶弹性体的柔性光纤为权利要求1～3任一项所述的基于液晶弹性体的柔性光纤。8.根据权利要求7所述的致动应用装置，其特征在于，所述光源为led光源、半导体激光器或光纤激光器，所述光源的波长是全波段。9.根据权利要求7或8所述的致动应用装置，其特征在于，所述致动应用装置由单路或多路致动应用装置构成；其中单路致动应用装置中的单根基于液晶弹性体的柔性光纤对应于单路激发光源；多路致动应用装置中的多根基于液晶弹性体的柔性光纤则并行、集束或编织组成柔性光纤阵列，并对应于多路激发光源，且每路激发光源单独输出。10.权利要求7～9任一项所述基于液晶弹性体的柔性光纤的致动应用装置在制备柔性致动器中的应用。

技术总结
本发明公开了一种基于液晶弹性体的柔性光纤及其制备方法和致动应用装置。所述基于液晶弹性体的柔性光纤包括液晶弹性体纤芯和透明弹性体包层；所述液晶弹性体纤芯中包括液晶弹性体和光响应材料。所述制备方法将液晶弹性体的前驱体和透明弹性体的前驱体分别注入到共轴双料筒的内料筒和外料筒中，通过挤塑法或3D打印法挤出或打印出具有芯包结构的柱状体，并固化得到柔性光纤。致动应用装置包括光源、石英光纤和基于液晶弹性体的柔性光纤。本发明基于液晶弹性体的柔性光纤可构建实现全光纤化的光致驱动器件，集光致动与光传输功能于一体，有效地减小了传统致动装置的体积，进一步实现实时、原位、远程、精准的致动，提升光致驱动器件的实用性。动器件的实用性。动器件的实用性。


技术研发人员：甘久林 刘灏珺 罗佳佳 李诺 何永成
受保护的技术使用者：华南理工大学
技术研发日：2023.04.18
技术公布日：2023/8/5