目前有关致动器软物质一般都采用弹性体材料，很难实现大面积加工，且机械性不好，难以满足致动器应用和开发需要。我们团队最近发明新型“液晶与高分子复合材料”，具有大形变、快响应和良好的机械性能的优点(授权中国发明专利201510959049.4)。应用液晶光取向技术可以构筑具有不同结构、组成、分子有序与多层次微结构的复合材料。与其它液晶取向技术结合，还可以实现具有微米级分辨率的取向阵列排布，丰富和发展复合材料的形变种类与尺度，实现从微米到宏观厘米(甚至分米)级的大尺寸形变，改善致动器形变的可控性与多样性。采用昂贵的液晶与商业化的聚合物复合，可以降低器件的成本，克服弹性体难以回收利用的困难，使致动器材料与器件的循环利用成为可能。

利用现代分析表征技术确定液晶取向及其阵列排布对复合材料形变与驱动行为的影响，通过各种液晶取向技术的组合以及致动器件功能开发，研究液晶的结构、相态、有序性等之间的作用规律对于材料结构调控和器件性能的影响。探索分子设计、结构设计与材料性能之间的关系，以获得可应用于智能仿生与远程驱动功能的新材料，为国防安全与智能化医疗装备提供关键技术支撑，如图1所示。

具体的研究方案：选用适当的液晶单体或者液晶聚合物与通用聚合物充分复合，精确控制其多层次微结构，并以按照预先设定的方式构筑液晶与高分子复合材料，如图2所示。在聚合物薄膜表面采用摩擦取向技术，使靠近聚合物侧的液晶基元沿着摩擦方向取向，而靠近空气一侧的液晶基元则采用非接触的扫描波聚合技术来取向。同时与其它液晶取向方法如光、自组装等相结合，精确排布具有微米级分辨率的液晶取向阵列，实现复合材料中液晶的不同取向方式的各种组合在外界刺激下液晶材料发生弯曲、扭曲和展曲变形，利用液晶与高分子的复合将这种形变放大到宏观可视范围，实现多种形变。

如图3所示，分别利用液晶材料的光化学与光热作用，通过设计复合材料的界面，调控复合作用力，创新性地开发了聚合物分散液晶微球、聚合物与液晶双层膜和形状记忆聚合物与微米液晶三个新型复合材料体系,揭示了它们的材料结构或液晶取向与复合材料性能之间的关系。开发了各种液晶与高分子微米级别的复合材料，并使其分别在多种波长光源的驱动下产生了多种运动形式。特别重要的我们项目组最先制备了具有可逆的光-机械-电转化的复合薄膜，提高了光-机械转化效率,丰富了能量转化形式，开辟了光驱动液晶与高分子复合材料新的研究方向,为寻找和设计高效的光驱动致动器件与相关材料建立更加清晰的的理论依据，促进了远程控制及精确调控复合材料与器件的相关应用基础研究的发展。

预期成果：制备5种以上可以应用于致动器件的液晶与高分子复合材料；实现螨虫行走、螺旋转动、波浪起伏、钟摆运动、可逆卷曲等5种以上的形变；实现致动器件模拟鳞蛇捕食运动、水面轮船行驶（模拟海豚游泳）、人工手指抓物和微流体控制（模拟蚊子吸血）可以探索智能化医疗装备上的应用，模仿合欢树叶的开合和水面轮船行驶可以开拓在国防安全上的用途。

成果、考核指标及评测方式/方法：

第一，5类液晶与高分子复合材料的考核指标。复合材料的膜厚控制在10微米-30微米,具有刺激响应功能,即在光、热、溶剂等作用下发生机械形变形变的速度可以在1秒到1分钟之内的时间完成，且形变具有可逆性。

第二，在掌握新型取向技术的基础上，进一步发展该技术使其更适合于液晶与高分子复合材料的制备。在北京大学的实验室中装配一套新型液晶取向技术的设备，在一定的条件下可以对相关研究人员进行该技术的培训。

第三，实现复合材料5种以上的智能形变，如虫行走、螺旋扭曲、波浪起伏、钟摆运动、可逆卷曲等。具体考核指标如下：

(1)螨虫行走：可以在各种不同粗度的基板上行走，速度可以达到每分钟1厘米以上的水平，且无明显的疲劳现象；

(2)螺旋扭曲：实现左旋和右旋的控制，且螺旋扭曲的螺距可以根据外界刺激响应在1厘米-10厘米范围内调控，响应在1分钟之内完成，过程完全可逆；

(3)波浪起伏:其起伏的幅度和位置可以用光的强度和位置来控制，且响应速度为数秒范围，起伏过程可逆；

(4)钟摆运动：在交替刺激或者恒定光源辐照下实现频率为0.5-5Hz的钟摆运动，且在3小时内无明显的疲劳现象；

(5)可逆卷曲：可以达到720度以上弯曲，卷曲程度可以用光辐照的强度和位置来控制，且该过程可逆。

第四，将开发的液晶与高分子复合材料应用于致动器件的仿生研究，实现拟鳞蛇捕食运动、水面轮船行驶（模拟海豚游泳）、人工手指抓物、模仿合欢树叶的开合运动、微流体控制（模拟蚊子吸血）等5种以上仿生功能，进一步尝试将这些仿生运动应用于国防安全与智能化医疗装备上。

具体考核指标如下：

鳞蛇捕食运动：可以像鳞蛇一样通过扭曲身体来抓住形状不规则的各种猎物猎物的重量可以达到自身重量的7倍；

水面轮船行驶（模拟海豚游泳）：采用光驱动的非接触方式，实现向前行驶与转向方向的精确控制，在液面上的行驶速度最高达到每秒1厘米以上，并可以负载一定的“货物”行驶；

人工抓取重物：模拟人体的五根手指的运动，实现在不同位置的不同尺度的形变，可以抓取自身重量的10倍以上的重物；

模仿合欢树叶的开合运动：实现在光源辐照下打开“树叶”，叶子的开合程度与光强有关，光越强打开的程度越大，撤去光源，叶子自然闭合；

微流体控制（蚊子吸血）：采用光化学或光热的方式实现微流体的非接触远程精确驱动，可以实现流速最高为每秒2厘米，通过排列组合实现两束以上流体的AND或者OR的控制。

本项目的优点是原有的具有知识产权的复合材料研究的基础上，实现新型液晶与高分子复合材料的制备技术突破与创新,并在复合材料应用于致动器件的智能仿生与远程驱动功能开发方面实现质的飞跃，主要技术突破与创新包括：

(1)将工业上广泛使用的通用高分子材料与具有刺激响应功能的液晶材料通过组装有机地结合到一个新的复合体系中。同时这些液晶材料可以将新型液晶取向技术分别或者同时与摩擦、光诱导和自组装等液晶取向技术相结合，提高液晶取向阵列排布的分辨率到微米水平,实现复合材料组装过程中多层次微结构的精确调控。而这些研究还未见诸报道，本项目的实施有望在此领域研究的复合材料设计与制备方面取得一定突破。

(2)利用现代分析表征技术确定液晶取向及其取向阵列排布对于复合材料形变与驱动行为的影响,通过各种取向技术以及执行器件的装配与表征等手段揭示液晶材料的结构、相态、有序性等之间的作用规律对于复合材料对层次结构调控和材料性能的影响。探索分子设计、结构设计与材料性能之间的关系，获得高性能的可应用于致动器的智能仿生与远程驱动功能的复合材料。

(3)基于液晶的不同取向方式与聚合物的有机复合在智能仿生与远程驱动领域的应用。而利用新型液晶取向来精准调控液晶取向阵列的排布，有望将这些具有可控结构的复合材料应用于构筑新型的执行器件并赋予新功能，在仿生与远程驱动等相关应用研究方面积累一定的经验，并取得一定的突破，获得具有自主知识产权的功能材料。