液晶彈性體（LCE）驅動器因其輕量化、高應變和快速響應特性，在生物醫療、環境探測等領域備受關注。然而，其有效驅動依賴于介晶排列的精確編程與幾何形狀設計。傳統編程方法（如表面錨定、電磁場調控、機械拉伸等）受限于幾何依賴性：光固化存在陰影區域無法固化，熱固化需持續外力固定形狀，剪切擠出則同步限制形狀與排列設計。這些局限性嚴重阻礙了復雜結構LCE驅動器的開發。
浙江大學謝濤教授、鄭寧教授團隊提出一種基于自由基擴散的“變形驅動”策略，突破了幾何形狀對LCE驅動器的制約。該方法僅需將LCE浸泡于過硫酸銨（APS）水溶液中，自由基即可自發滲透網絡并引發殘留丙烯酸酯交聯，固定變形結構與介晶排列。該過程無需外力維持、加熱或光照，適用于3D打印、折紙、模塑等任意復雜幾何結構，實現了高穩定性（140℃下循環穩定）和可逆驅動應變（最高達110%）。相關論文以“Geometrically insensitive deform-and-go liquid crystal elastomer actuators through controlled radical diffusion”為題，發表在Nature Communications上。
技術原理與驗證
圖1 揭示了傳統方法與新策略的差異：光固化受陰影區限制（圖1a），熱固化需夾具維持拉伸（圖1a）；而新方法通過折疊LCE并浸泡APS溶液（圖1b），自由基擴散觸發殘留丙烯酸酯交聯（圖1d），永久鎖定折痕處的介晶取向（圖1c）。實驗證明，含丙烯酸酯的LCE（如RM82單體）是實現該過程的關鍵（圖1e）。
圖1 | 自由基擴散實現的LCE排列與驅動 (a) 傳統排列固定方法：光固化受幾何結構陰影區限制；熱固化需夾具維持外力。 (b) 本工作通過可控自由基擴散固定排列的流程。 (c) 介晶排列機制的網格示意圖。 (d) 丙烯酸酯自由基聚合反應式。 (e) 可用LCE組分（液晶單體、間隔基、交聯劑及硫醇-丙烯酸酯/烯烴體系）。
圖2 通過水凝膠自由基監測系統驗證擴散機制：APS溶液滴加于LCE薄膜后，硫酸根自由基穿透材料，使含木犀草素鈉鹽（XO）和Fe2?的指示劑由橙變紫（圖2a-b）。FTIR光譜顯示浸泡后丙烯酸酯雙鍵特征峰（811 cm?1和1637 cm?1）消失（圖2d-e），證實自由基引發交聯（圖2c）。
圖2 | 自由基擴散與反應機制 (a) 自由基擴散監測示意圖：硫酸根自由基（SO??）將Fe2?氧化為Fe3?，與木犀草素（XO）形成紫色復合物。 (b) 自由基擴散結果（隨時間推移出現紫色斑點）。 (c) 添加APS溶液前后LCE前體狀態（左：液態；右：凝膠化）。 (d-e) LCE薄膜浸泡APS前后的FTIR光譜（雙鍵特征峰消失）。
驅動性能優化
圖3 量化了驅動性能：經APS處理的單軸拉伸LCE薄膜（預應變120%）表現出110%可逆應變（圖3a），遠優于去離子水對照組。WAXD和偏光顯微鏡證實驅動源于各向異性排列（圖3c-d）。APS濃度存在最優值（4 wt%），濃度過高會因氧氣生成降低效率（圖3e）；交聯密度也需平衡，EDDET/PETMP摩爾比為4時驅動應變最佳（圖3f）。增加殘留丙烯酸酯可縮短浸泡時間至1小時（圖3g），預拉伸應變與驅動應變成正相關（圖3h-i）。
圖3 | LCE驅動性能 (a) APS溶液與去離子水處理的LCE驅動應變對比。 (b) 加熱/冷卻循環下的可逆驅動行為。 (c) 編程前后WAXD圖案（各向同性環→各向異性弧）。 (d) 排列LCE的偏光顯微鏡圖像。 (e) 驅動應變與APS濃度/浸泡時間的關系。 (f) 驅動應變隨交聯劑含量與浸泡時間的變化。 (g) 殘留丙烯酸酯含量對驅動應變的影響。 (h-i) 驅動應變與浸泡時間（h）、預拉伸應變（i）的關系。
復雜結構制造
圖4 展示了多工藝兼容性：DLP 3D打印的章魚結構（圖4b-c）、模塑成型的鱷魚/海星（圖4d）、壓印定制的可視化圖案（圖4e）經APS浸泡后均實現穩定熱驅動。圖5 進一步將LCE應用于折紙藝術：Square-Twist折紙（圖5a-b）通過彎曲自由度存儲彈性能，實現穩定折疊；千紙鶴與飛機（圖5c）可逆展平與立體變形；多層折疊的蝦蛾結構（圖5d-e）甚至實現3D-3D形態轉換，突破現有編程極限。
圖4 | LCE 3D結構的制造與編程 (a) DLP 3D打印裝置及LCE樹脂配方（含光引發劑Irgacure 819）。 (b) 3D打印章魚的編程與驅動行為。 (c) 打印物體的可逆驅動（浸泡24小時）。 (d) 模塑成型3D結構的驅動（箭頭示拉伸方向）。 (e) 壓印技術實現的可視化圖案可逆切換（浸泡4小時）。
圖5 | LCE折紙 (a) 由方形/菱形面板構成的Square-Twist折紙折疊過程。 (b) 不同折紙圖案的設計與驅動行為。 (c) 千紙鶴/飛機的2D-3D可逆轉換。 (d) 多層折疊的蝦/蛾結構。 (e) 蝦/蛾的3D-3D可逆形變（白箭頭示驅動方向）。
應用前景
該技術通過水溶液自由基擴散實現LCE幾何不敏感編程，為軟體機器人設計開辟新路徑。未來可通過調控擴散動力學設計空間異質介晶排列，進一步提升驅動復雜性。工業應用中可采用環保型過氧化氫替代APS，結合實時監測確保大規模生產穩定性。該方法普適于多數丙烯酸酯LCE體系，有望推動驅動器與軟體機器人的規模化定制。