近日，北京大学杨槐教授团队报道了一种简单通用的制备方法，通过将聚氨酯共价交联引入到液晶聚合物网络中，并结合偶氮苯分子紫外光吸收性能和聚多巴胺的光热效应，成功制备了一种形状可编程，机械性能强的近红外光响应驱动器。这种新型聚氨酯/液晶聚合物复合材料（PULCN）有望制造出更先进的光响应驱动器，并将其真正应用于软机器人、人工肌肉、仿生设备等领域。
本研究中提出的制备策略不同于以往的互穿网络策略，氢键和共价键协同作用改善了非液晶体系（聚氨酯体系）与液晶聚合物材料的相容性，提高了复合材料的稳定性。该材料不仅具有聚氨酯（PU）的形状记忆性能，而且具有液晶聚合物（LCN）的形状改变行为，由于材料的熔融温度（Tm）高于液晶相转变温度，依赖于形状记忆机制，液晶介质可以沿外力方向进行介晶对齐和重新排列，当温度高于Tm时，链段活动度增加，介晶按应力方向排列成有序相，冷却至室温后，由于其中聚氨酯成分结晶，在外力撤除后仍可保持介晶对齐，并且通过熔融方式，可以进行重复编程/重新编程。此外，相较于传统液晶聚合物材料，本研究中所制备材料具有较高的机械性能，在相变温度下，最大机械强度达到20 MPa。
图1 （a）不同氰基含量的LCN、PULCNCN和PULCNOCH的FTIR/ATR光谱；（b）PULCN, PU和LCN的DSC图谱；（c）拉伸后的PULCNCN样品在25、35、45和55℃加热时记录的二维XRD图谱；（d）80℃下，不同氰基含量的PULCNCN的恢复率随加热时间的变化曲线；（e）LCN、PULCNCN 1:3和PULCNOCH 1:3在室温和100℃下的应力-应变曲线；（f）以往报道材料与本研究中材料的机械性能对比图；（g）PULCNCN 1:3的动态热机械分析图谱。
进一步，研究者向体系中引入偶氮苯分子，在光聚合过程中，利用偶氮苯紫外光吸收性能形成跨膜厚度的交联密度梯度。本研究中将靠近紫外灯一侧称为上侧，另一侧为下侧，薄膜上侧交联密度高于下侧交联密度，造成薄膜两侧弹性模量不同，当加热到100℃时，可见薄膜沿长轴弯曲，弯曲方向始终朝向薄膜下侧，且弯曲幅度与偶氮苯浓度相关。并且，如图2所示，通过掩膜设计，薄膜可呈现不同的三维初始形状。此外，偶氮苯掺杂的薄膜材料仍表现出优异的液晶性能和形状记忆性能，薄膜经拉伸取向后可在相变温度附近发生形变，形状回复率和固定率均大于90%，这种形状可重复编程的性能使薄膜具有更强的可调节性，可以重复使用相同的材料执行不同的运动，在一定程度上扩展现有复合材料的实际应用。
图2 （a）偶氮苯含量与薄膜弯曲角度的关系。插图是不同偶氮苯含量的薄膜的外观；不同偶氮苯含量的“上侧”（b)和“下侧”（c) PULCNCN-AZO薄膜的典型载荷-位移曲线；（d) PULCNCN薄膜两侧弹性模量和偶氮苯含量的关系；（e) PULCNCN-AZO薄膜“上侧”和“下侧”弹性模量的差异取决于偶氮苯的含量；（f)不同偶氮苯含量的PULCNCN-AZO在100℃时的应力-应变曲线；（g)在掩模下单侧照射和双侧照射下制备0.1 wt% PULCNCN-AZO薄膜的示意图;(h)图案化的PULCNCN-AZO薄膜的形状变化过程演示:(Ⅰ)薄膜首先在80℃下机械拉伸，然后慢慢冷却至室温;(Ⅱ)(III)(IV)(V)薄膜随着温度从24℃上升到60℃而收缩;(i) 0.1 wt% PULCNCN-AZO模式化薄膜的形状重编程过程。
聚多巴胺(PDA)生物相容性好且合成简单，是目前最具优势的近红外光热剂之一。在上述研究基础上，本研究利用近红外光响应聚多巴胺涂层对所制备的PULCNCN-AZO薄膜进行进一步功能化，PDA涂层作为能量转换单元，将近红外光转化为热能，触发PULCNCN-AZO的运动，实现PULCN复合材料的全光学定向形状记忆和形状转换，在最较低的光照强度下，薄膜恢复缓慢，但随着光照强度逐渐增加，形状回复率和形状固定率相应增大。通过选择性地涂覆PDA，进一步实现了局部化和可编程的形状记忆功能。如图3所示，半侧涂有PDA的薄膜首先编程成字母“C”形状，当暴露在0.4 W cm-2的近红外激光下，PDA涂层的部分恢复，然而，未涂覆侧薄膜未发生形变，薄膜呈现出字母“J”形状，当加热到100℃后，薄膜完全恢复。
此外，通过采用复杂的、有图案的PDA涂层，可以设计出更多样化的形变，本研究制备了一种局部光可控的手状驱动器，通过逐步切换光强，涂有不同厚度PDA的区域依次响应，可呈现出不同手势。这种逐步驱动过程模拟了传统软驱动器的多级运动控制，但无需复杂电路即可实现无线控制，有利于实际应用。
图3 （a）未涂覆PDA和涂覆PDA PULCNCN-AZO薄膜的FTIR/ATR光谱。插图是薄膜在不同状态下的外观图；（b）不同光强下12H PDA涂覆PULCNCN-AZO薄膜表面温度随红外光照射时间的变化曲线；（c）不同光强下12H PDA涂覆PULCNCN-AZO薄膜的形状恢复率随红外光照射时间的变化曲线；（d）选择性PDA涂覆薄膜的热成像图像和外观图片，比例尺:5mm；（e）手形驱动器的近红外光局部控制过程示意图，比例尺:10毫米。
