纤维驱动器能够将外部刺激转化为机械功，在生物医学器件、软体机器人和智能纺织品等领域具有应用潜力，其性能取决于材料组成与纤维结构之间的协同，而这一协同决定了驱动模式、机械稳健性和可扩展性。液晶弹性体因有序介晶域可在外界刺激下发生可逆有序—无序转变，能够实现大且可编程的形变，并可响应热、光、电或磁刺激；分子取向还可用于编程收缩、弯曲和扭转等驱动行为。光刺激具有无线驱动和高时空精度的优势，但多数光响应驱动器依赖直接侧向照射，容易产生非均匀加热，并在受限或光学不可达环境中受到根本限制。光波导架构可将光传输与机械变形耦合于单一结构，为受限环境中的远程驱动提供了思路，但如何在紧凑纤维中同时集成高效远程光刺激、大范围可逆变形和应变传感，仍是需要解决的关键挑战。

针对这一挑战，江苏大学胡兴好教授、西北工业大学萧业教授和‌韩国化学技术研究院Hyun Kim教授合作，研究提出并实现了一种波导鞘芯光纤驱动器：以液晶弹性体为芯，以碳纳米管/炭黑导电层为鞘。近红外光经光纤传输后驱动可逆收缩，收缩行程最高达38%，可提升超过自重320倍的负载；纤维阵列可独立光学寻址，实现受限环境中的可编程多模态抓取；导电鞘同时作为应变传感器，通过电阻变化实时监测驱动状态。该工作将光热驱动与自感知集成于单一纤维架构，为在空间受限环境中运行的软体机器人系统建立了多功能平台。相关论文以“Waveguided, Self-Sensing Sheath–Core Liquid Crystal Elastomer Fiber Actuators”为题，发表在Advanced Materials上。

研究首先以示意图勾勒了该纤维驱动器的整体设计：液晶弹性体芯通过向列相—各向同性相变实现可逆轴向收缩，808nm近红外光从驱动器一端输入，由CNT/CB鞘转化为热并驱动LCE芯收缩，导电CNT/CB鞘的电阻变化则用于自感知，基于该纤维的仿生软夹爪和连续体机械臂可在受限、弯曲环境中实现可编程抓取与导航。这一设计将光传输、热转换、机械驱动和电学传感集中于同一根纤维，为后续制造与性能研究提供了清晰框架。

图1 波导自感知鞘—芯液晶弹性体纤维驱动器概览

在制造与结构表征方面，研究将LCE前驱液注入聚四氟乙烯中空管模具，经溶剂蒸发、脱模后进行机械预拉伸以取向介晶，再通过紫外光聚合固定取向；预拉伸纤维透明，而未拉伸的多畴纤维不透明，偏光显微镜下纤维轴平行于偏振片时消光、与正交偏振片呈45°时亮度最大，证实了单轴取向向列结构的形成。随后以SWCNT与CB按1:1比例、各占分散液5 wt%的乙醇分散液涂覆纤维表面，形成均匀涂覆的CNT/CB鞘，截面SEM显示同心鞘层且厚约18µm，表面SEM显示互连的CNT/CB网络。该制造路线将取向LCE芯与多功能碳基鞘结合，为光热驱动和电学传感奠定了结构基础。

图2 模板法制备LCE@CNT/CB纤维：制造与结构表征

在光热驱动性能方面，808nm近红外激光从纤维端面耦合输入，CNT/CB鞘将引导光高效转化为热并沿纤维传播，使照射端至远端形成较均匀温升；在连续1 W照射下，LCE@CNT/CB纤维收缩38%，而纯LCE纤维仅收缩10%。前者平衡表面温度达89°C，超过LCE的向列—各向同性转变温度72°C；纯LCE吸光效率低，仅在照射端附近局部升温至约50°C，不足以驱动显著收缩。有限元模拟与实验温度分布吻合，模拟进一步揭示CNT/CB鞘提供沿轴向和径向进入LCE芯的互连热通路，快速均化温度场；照射80s后模拟远端达96.2°C、收缩38%，而纯LCE远端仅50°C、模拟收缩15%，且涂层纤维远端升温明显更快。这些结果表明，CNT/CB鞘作为高效热导管，缓解了热局域化，实现了快速、均匀、大行程的端部近红外光热驱动。

图3 鞘芯LCE@CNT/CB纤维驱动器的光热驱动

进一步的结构与输入条件研究表明，纤维几何、光输入和负载条件可协同调节驱动幅度与动力学，而该鞘芯结构在循环和负载下仍保持稳定输出。

图4 鞘芯LCE@CNT/CB纤维驱动器的驱动性能

在自感知方面，研究通过拉伸加载—卸载测试发现，相对电阻变化随拉伸应变增大，显示导电网络的压阻响应。为区分温度与变形贡献，研究比较自由收缩与固定长度两种构型，显著电阻变化仅在自由收缩时出现，固定长度纤维电阻变化可忽略。表明导电鞘不仅是光热转换层，也是无需额外传感组件的实时变形监测层。

图5 LCE@CNT/CB纤维驱动器的自感知性能

受蟹钳闭合启发，LCE@CNT/CB纤维驱动的仿生臂在1W光照30s后弯曲64.5°；将纤维肌肉集成到双指夹爪后，近红外光热收缩使手指闭合，双指夹爪示意图见图6a，可逆抓取与释放见正文演示，受限透明管内抓取、提升和释放。进一步将光学驱动夹爪集成到由3D打印关节段组成的缆驱动连续体机械臂远端，每个关节段含三个周边通道用于多向缆驱动、中心腔用于引导光纤至末端夹爪，协调缆驱动使机械臂进入并穿越弯曲管道、接近目标并抓取回收。演示表明，该纤维驱动器能够在受限空间中实现远程光驱动操作，并通过自身电学信号分辨抓取阶段和物体相关状态。

图6 LCE@CNT/CB纤维驱动器的受限空间操作和自感知演示

总体而言，该研究将远程光驱动与电学自感知集成于波导LCE@CNT/CB纤维中，实现了最高达38%的可逆收缩、可提升超过自重320倍的负载和稳定的循环性能；光热CNT/CB鞘同时承担热转导和变形依赖的电阻传感，使驱动与变形监测在单根纤维内完成；纤维捆绑还可通过独立光学控制实现可编程轴向收缩和360°全向弯曲。系统级集成到连续体夹爪中，展示了在受限管状环境中可重复抓取和回收的能力。通过结合精确光传输、大变形和集成传感，这些纤维为软体机器人、微创器件和自适应纺织品提供了紧凑且可扩展的平台。

（来源：高分子科学前沿）