光驱动液晶弹性体扭曲环带软致动器的有限元分析

doi:10.19894/j.issn.1000-0518.210339

摘要/Abstract

摘要：

目前基于液晶弹性体材料的软致动器大多结构简单，形变模式单一，很难满足实际复杂情况下的使用需求。因此将光热响应型液晶弹性体材料和扭曲环状拓扑结构相结合，制备了一系列新型扭曲环带软致动器，其可以在近红外光照射下实现稳定连续的旋转运动。在此实验基础上，利用MATLAB软件对B-M-bius［+2］型软致动器进一步建立三维有限元模型，通过对温度分布、重心、热应力、角速度、角加速度及角位移等参数进行设定、计算及调整，成功地模拟了扭曲环带软致动器在近红外光照射下的受力变化及运动状态变化过程，仿真结果和实验制备的光驱动扭曲环带软致动器的实际运动情况相符。构建此类模型可为未来具有复杂拓扑结构的致动器实验及应用提供理论基础，有助于拓展扭曲环带软致动器的实际应用。

关键词: 液晶弹性体, 扭曲环带, 软致动器, 有限元分析

Abstract:

At present， most of the liquid crystal elastomer （LCE） soft actuators are relatively simple in topological structures and deformation modes， which seriously hinder the applications potentials in real complex scenarios. Combining the unique material properties of LCE materials and the interesting topological structure of the twisted toroidal ribbon， a series of photothermal-responsive LCE-based twisted toroidal ribbon soft actuators was reported. These actuators can perform stable and continuous motion under the irradiation of near-infrared （NIR） light. Based on these experimental results， we established a finite element analysis model based on B-M-bius［+2］ actuator. By setting and adjusting the parameters of the twisted toroidal ribbon actuators， including temperature distribution， gravity center， thermal stress， angular displacement， angular velocity and angular acceleration， the stress and motion modes of the twisted toroidal ribbon actuators under NIR light were successfully simulated. The simulation results are in accord with the actual motion of the twisted toroidal ribbon actuators manufactured in the laboratory. The model can provide a theoretical basis approach for future experiments and applications of such complexicated topologiescal actuators， and help to further expand and broaden the application scope and the application range of twisted toroidal ribbon actuators.

Key words: Liquid crystal elastomer, Twisted toroidal ribbon, Soft actuator, Finite element analysis

中图分类号:

O631

胡文婷, 左波, 聂振洲, 王猛, 杨洪. 光驱动液晶弹性体扭曲环带软致动器的有限元分析[J]. 应用化学, 2021, 38(10): 1397-1404.

Wen-Ting HU, Bo ZUO, Zhen-Zhou NIE, Meng WANG, Hong YANG. Finite Element Analysis of Light⁃Driven Liquid Crystal Elastomer Twisted Toroidal Ribbon Soft Actuators[J]. Chinese Journal of Applied Chemistry, 2021, 38(10): 1397-1404.

图/表 7

图1 完成拓扑变换（A）前、（B）后的圆，（C）初步扭曲环致动器模型，（D）最终的扭曲环致动器模型

Fig.1 A circle with perimeter before （A） and after （B） topology transformation，（C） preliminary twisted toroidal ribbon actuator model and （D） the final twisted toroidal ribbon actuator model with perimeter.

图2 （A）变形六面体网格单元和（B）四面体网格单元的结构，（C）离散化后的扭曲环带致动器模型（m=200，n=1，p=1）

Fig.2 The structure of （A） hexahedral grid cell and （B） tetrahedral grid cell，（C） the twisted toroidal ribbon actuator model after discretization （m=200， n=1， p=1）

图3 液晶弹性体材料在不同光源距离以及照射时间下的升温曲面图

Fig.3 Temperature distribution of the liquid crystal elastomer material exposed under different light distance and irradiation time

图4 静止的驱动器不同辐照时间的温度分布

Fig.4 Temperature distribution of the stationary actuator exposed with different light irradiation time

图5 假设的六面体中四边形（BCGF）的受力分析

Fig.5 Stress analysis of the quadrangle （BCGF） in a hypothetical hexahedron

图6 （A）扭曲环带致动器在近红外光照射1 s后的受力分析；（B）辐照区域应力分布的详细图

Fig.6 （A）Internal stress distribution of the twisted toroidal ribbon model after one second NIR light irradiation， and （B） the detailed drawing of stress distribution in the stimulated region

图7 模拟计算得到的（A）角位移和角速度随时间变化关系曲线和（B）角加速度随时间变化关系曲线

Fig.7 （A）The change of angular displacement and angular velocity as the function of time；（B） the change of angular acceleration as the function of time

参考文献 22

1	LENDLEIN A， GOULD O E C. Reprogrammable recovery and actuation behaviour of shape-memory polymers［J］. Nat Rev Mater， 2019， 4（2）： 116-133.
2	WHITE T J， BROER D J. Programmable and adaptive mechanics with liquid crystal polymer networks and elastomers［J］. Nat Mater， 2015， 14（11）： 1087-1098.
3	LIU J Q， GAO Y C， WANG H H， et al. Shaping and locomotion of soft robots using filament actuators made from liquid crystal elastomer-carbon nanotube composites［J］. Adv Intell Syst， 2020， 2（6）： 1900163.
4	ZUO B， WANG M， LING B P， et al. Visible and infrared three-wavelength modulated multi-directional actuators［J］. Nat Commun， 2019， 10（1）： 287-294.
5	LAN R C， SUN J， SHEN C， et al. Near-infrared photodriven self-sustained oscillation of liquid-crystalline network film with predesignated polydopamine coating［J］. Adv Mater， 2020， 32： 1906319.
6	CHENG Z X， MA S D， ZHANG Y H， et al. Photomechanical motion of liquid-crystalline fibers bending away from a light source［J］. Macromolecules， 2017， 50（21）： 8317-8324.
7	YANG H， LIU J J， PENG R， et al. Near-infrared-responsive gold nanorod/liqiud crystalline elastomer composites prepared be sequential thiol-click chemistry［J］. Chem Commun， 2015， 27（41）： 6535-6545.
8	BISOYI H K， LI Q. Light-driven liquid crystalline materials： from photo-induced phase transitions and property modulations to applications［J］. Chem Rev， 2016， 116（24）： 15089-15166.
9	关威. 扭曲环带的直观拓扑性质［J］. 自然杂志， 1984（5）： 380-382.
	GUAN W. Intuitive topological properties of twisted bands［J］. Chinese J Nat， 1984（5）： 380-382.
10	TANDA S， TSUNETA T， OKAJIMA Y， et al. A Möbius strip of single crystals［J］. Nature， 2002， 417（6887）： 397-398.
11	GRAVESEN J， WILLATZEN M. Eigenstates of Möbius nanostructures including curvature effects［J］. Phys Rev A， 2005， 72（3）： 032108.
12	FREUND I. Optical Möbius strips and twisted ribbon cloaks［J］. Opt Lett， 2014， 39 （4）： 727-730.
13	HINES L， PETERSEN K， LUM G Z， et al. Soft actuators for small-scale robotics［J］. Adv Mater， 2017， 29（13）： 1603483.
14	ZENG H， WASYLCZYK P， WIERSMA D S， et al. Light robots： bridging the gap between microrobotics and photomechanics in soft materials［J］. Adv Mater， 2018， 30（24）： 1703554.
15	HAINES C S， LIMA M D， LI N， et al. Artificial muscles from fishing line and sewing thread［J］. Science， 2014， 343（6173）： 868-872.
16	HAMIDI A， ALMUBARAK Y， RUPAWAT Y M， et al. Poly-Saora robotic jellyfish： swimming under water by twisted and coiled polymer actuators［J］. Smart Mater Struct， 2020， 29： 1-16.
17	NIE Z Z， ZUO B， WANG M， et al. Light-driven continuous rotating Möbius strip actuators［J］. Nat Commun， 2021， 12： 2334.
18	黄迷梅，刘建梁，煦龙，等. RE-GMSM致动器精密位移的有限元分析［J］.机床与液压，2010， 38： 118-120.
	HUANG M M， LIU J L， XI L， et al. The finite element analysis of accurate displacement of RE-GMSM actuator［J］. Machine Tool Hydraul， 2010， 38： 118-120.
19	HUNT R， OLSEN Z， KIM K. Thermo-mechanical response of the twisted and coiled polymer actuator （TCPA）： a finite element analysis （FEA）［J］. Smart Mater Struct， 2021， 30（6）： 065017.
20	LI C， LIU Y， HUANG X， et al. Direct sun-driven artificial heliotropism for solar energy harvesting based on a photo-thermomechanical liquid-crystal elastomer nanocomposite［J］. Adv Funct Mater， 2012， 22（24）： 5166-5174.
21	LI C， LIU Y， LO C， et al. Reversible white-light actuation of carbon nanotube incorporated liquid crystalline elastomer nanocomposites［J］. Soft Matter， 2011， 7： 7511-7516.
22	SANCHEZ F A， FINKELMANN H. Uniaxial and shear deformations in Smectic-C main-chain liquid-crystalline elastomers［J］. Macromolecules， 2008， 41（3）： 970-980.

[1]	张帅, 杨洋, 吉岩, 危岩. 磁响应液晶弹性体材料研究进展[J]. 应用化学, 2021, 38(10): 1299-1309.
[2]	翟飞, 封伟. 4D打印液晶弹性体软体机器人及其热致运动行为[J]. 应用化学, 2021, 38(10): 1389-1396.
[3]	刘丹枫, 丁明明, 张丽丽, 孙昭艳, 石彤非, 黄以能. 热场效应下聚酰亚胺纤维力学性质有限元分析[J]. 应用化学, 2020, 37(2): 190-197.