综述：用于智能机器人和电子设备的电活性液晶弹性体的进展

《Advanced Robotics Research》：Advances in Electroactive Liquid Crystal Elastomers for Intelligent Robotics and Electronics

　　摘要

电活性液晶弹性体（eLCEs）是一类快速发展的智能软材料，它们将分子各向异性与电功能相结合。在这篇综述中，我们将eLCEs分为两大子类别：（i）机器人执行器，它们能够在电刺激下实现可编程和可逆的变形；（ii）自适应电子设备，它们能够实现程序化的形态变化或功能重构。通过将液晶的取向有序性与聚合物网络的弹性相结合，机器人eLCEs通过多种机制（包括电热、机电、静电和电化学途径）将电能转化为机械运动。此外，电子eLCEs主要作为能够控制形状变换的变形基底，从而实现可重构的电子系统，例如可拉伸导体、传感天线和神经接口。为了指导这一领域的发展，本文概述了eLCEs中的激活机制，并重点介绍了将材料层面的进展与下一代智能设备相连接的典型机器人和电子应用。总体而言，这些进展突显了eLCEs在未来的软体机器人、自适应电子设备和动态接口系统中的巨大潜力。

1 引言

传统上，机器和材料被视为不同的实体，机器执行特定功能，而材料主要作为结构组件。然而，这种区分正在逐渐消失，因为新兴的材料系统不仅构成机器或其部件，还能通过直接转换能量和对环境的响应来体现功能[1, 2]。这一实现定义了一个新的范式，在这种范式中，机械或功能输出直接源自材料的内在结构和能力[3-5]。这些材料通常被称为智能材料，它们在温度、光、pH值、溶剂以及电场或磁场等外部刺激下会表现出物理、化学或功能特性的变化[6-14]。在这些材料中，响应刺激的聚合物因其低模量、低密度和相对于刚性机械材料的易加工性而受到特别关注，使它们成为能够进行仿生运动和环境交互的自适应系统的多功能平台[15-20]。基于这些聚合物平台，该领域沿着两个方向发展：（i）材料化学和架构的设计；（ii）制造策略的开发。例如，一维纤维拉拔、二维薄膜图案化和三维/四维打印的进步使得在长度、面积和体积尺度上实现可控的驱动成为可能，同时促进了系统级别的集成[21-23]。这些发展为软体机器人和电子学带来了重大变革，其中机械智能越来越多地通过柔顺材料而不是刚性连接来实现。与在精确度方面表现出色的传统机器人或电子设备不同，软体机器人和电子系统利用聚合物的固有柔顺性，在非结构化环境中实现大变形、适应性和操控性[24-28]。早期的软体机器人和变形电子设备主要依赖于气动和液压驱动，因为这些方法容易产生较大的力和应变。然而，它们对外部泵、阀门和流体管道的依赖对无绳操作和系统微型化带来了显著限制[29-32]。这促使人们转向可电驱动的软执行器或变形设备，包括介电弹性体执行器（DEAs）、离子聚合物-金属复合材料（IPMCs）和导电聚合物系统（35），这些设备能够以更高的可控性将电输入转化为变形。同时，磁性、热性和化学触发器进一步扩展了可编程运动的设计空间[36-40]。总体而言，这些进步推动了从硬件密集型架构向以材料为中心的系统的转变，在这种系统中，驱动、传感和控制可以在软体本身内进行编程。在响应刺激的聚合物中，液晶弹性体（LCEs）特别引人注目，因为它们将分子有序性与橡胶弹性相结合，实现了类似肌肉的大幅度和可逆驱动[41-46]。液晶排列的变化，最显著的是通过向列-各向同性转变，直接转化为宏观应变，而导向场的空间编程则可以实现复杂的变形[47]。虽然大多数LCEs本质上是热响应的，但可以通过调整其化学成分和架构来响应多种刺激。例如，光响应的介观分子可以实现光触发驱动，功能性填料可以引入额外的响应性，为连接分子尺度变化和设备尺度变形的系统提供了多功能的基础[48-51]。一个特别重要且发展迅速的子类别是电活性LCEs（eLCEs），它们为集成到电子系统中提供了实际优势[52-56]。与纯热触发相比，电输入可以提供局部化、快速且精确可控的刺激，并为将驱动与电子接口结合提供了直接途径[57-60]。基于eLCE的设备中的电激活可以通过多种机制实现，包括电热（焦耳加热）、机电（场驱动耦合）、静电（麦克斯韦应力）和电化学/离子（离子迁移）途径，其中主导模式由材料组成和设备架构决定[61]。通过集成导电组件（如碳纳米材料、液态金属或金属纳米线）并利用直接图案化或组装电子产品的制造方法，eLCE平台越来越多地实现了在连续软体框架内的程序化驱动和板载功能[62-66]。本文综述了eLCEs的新兴领域，重点介绍了用于软体机器人和自适应电子学的材料、机制和制造方法，如图1所示。我们首先总结了基于LCE的架构中的电响应性材料和设备原理，并将该领域分为四种代表性机制：电热、机电、静电和电化学，重点介绍了eLCE设计中的主要示例。然后，我们探讨了通过复合工程、光刻图案化和电子组装来支持实现机器人和电子设备架构的制造和集成策略。最后，我们概述了将eLCEs作为下一代软体机器和人机接口的基础材料的关键机会和挑战，其中结合柔顺性和电可编程功能可能有助于缩小生物系统、智能材料和工程设备之间的差距。

2 eLCE系统中的机制

如前所述，eLCEs可以通过多种电刺激模式进行操作，包括电热、机电、静电和电化学机制。因此，本节根据它们用于利用或重新编程材料内电功能的主导机制对eLCE系统进行分类。

2.1 LCEs中的电热机制

电热驱动依赖于通过焦耳加热将电能转化为热量，随后产生热诱导的变形。在传统的聚合物执行器中，这一过程通常使用具有不匹配热膨胀系数（CTE）的双层或混合架构来实现，其中局部加热会在CTE较低的一侧产生差异膨胀和弯曲[54, 61, 68-73]。将导电填料纳入绝缘聚合物基体中可以进一步实现体积焦耳加热，从而在相对较低的驱动电压下实现弯曲、收缩或扭转变形。这种电热聚合物复合材料通常具有低工作电压、轻重量和灵活的形态因子，尽管它们的性能受到热扩散、能量耗散和长期热疲劳的限制[68, 74-80]。在eLCEs中，电热刺激会产生特定的响应。与热驱动的体积膨胀不同，温度升高会触发液晶介观分子的可逆向列-各向同性转变，将热量转化为各向异性的、由熵驱动的分子重组。这种焦耳加热与液晶有序性之间的耦合使得几乎恒定体积、大应变、各向异性和可逆的驱动成为可能，这在各向同性聚合物系统中难以实现，从而确立了电热刺激作为电驱动LCE执行器的基础机制。

2.1.1 基于碳的电热LCE系统

由于碳纳米结构具有高电导率、大的长宽比以及与聚合物基体的强耦合性[81-84]，它们成为最广泛研究的用于电热eLCEs的导电填料类别。因此，人们做出了大量努力将基于碳的导电纳米填料纳入LCE基体中，使电活性材料同时作为加热器和执行器发挥作用。通过形成渗透的导电网络，这些填料能够实现高效的焦耳加热，同时增强机械强度并支持与介观导向剂对齐的各向异性驱动。然而，要实现足够的导电性以进行焦耳加热，通常需要将基于碳的纳米填料添加到渗透阈值以上，这造成了一个基本的材料权衡。在高负载下，刚性纳米填料倾向于聚集，增加复合材料的硬度，限制液晶相变，并最终抑制驱动应变。在电热系统中，这一阈值通常低于5%，但这种填料含量往往以牺牲驱动效率为代价[63]。这一权衡在填充有炭黑（CB）的系统中得到了很好的体现。例如，将15 wt%的CB纳米颗粒加入LCE复合材料中，可以获得电导率约为1 S m?1的电热材料，但驱动应变从未填充LCE的35%显著降低到填充后的5.2%[85]。为了缓解这一限制，在LCE薄膜表面涂覆CB可以形成薄的焦耳加热层，从而在较低的填料含量下触发局部相变，实现可逆的弯曲和滚动运动[86]。在一个代表性的设计中，由内层LCE环和外层U形CB导电区域组成的圆柱形双层执行器在50 V DC下产生1.6 mm s?1的连续滚动运动。为了提高承载能力和可扩展性，电热eLCE设计已从平面薄膜发展为1D纤维架构，这有利于方向性电传导、快速热耗散和适合软体机器人集成的机械稳健性[57, 58, 87-90]。碳纳米管（CNTs）是用于电热eLCEs的最广泛采用的填料，因为它们的1D几何结构能够在相对较低的负载下实现渗透的导电网络，同时提供实质性的机械增强[87]。然而，CNTs也带来了主要的加工挑战，因为它们在流体介质中容易聚集，使得难以控制复合材料的微观结构，特别是在填料含量足够高以实现电导率时[91-93]。此外，在LCE制造过程中，碳纳米材料可能会干扰UV固化过程。在高CNT负载下，它们会吸收紫外线，这会阻碍内部的聚合并降低固化效率。因此，必须仔细优化纳米填料的负载，以平衡导电性、对齐性和固化。在可用的CNT配置中，森林拉拔的CNT片特别有吸引力，因为它们避免了在复合材料制造过程中直接分散纳米管的需求，并同时引导介观导向剂的对齐[94]。在这种层状导电架构中，对齐的CNT片确保了均匀的焦耳加热和热刺激向各向异性收缩的有效转换。当这些对齐的LCE/CNT薄膜转化为扭曲的纤维几何结构时，电热驱动进一步得到放大。例如，在15.1 V cm?1的直流场和840 kPa的负载下，扭曲的LCE/CNT纤维实现了高达12%的收缩应变，而平面对应物的收缩应变约为3%，同时提供了接近97 kJ m?3的工作能力，并具有稳定的循环行为[48]。在低填料负载下，性能仍可能受到不完全电渗透和机械强度不足的限制。为了解决这个问题，通过将森林拉拔的CNT片与半结晶LCE基体结合，开发出了结晶LCE/CNT（cLCE/CNT）纤维。这种方法实现了强电热驱动，同时支持可逆的结构重构。cLCE/CNT纤维表现出约30%的收缩应变，并能在低于10 V的电压下承受高达其自身重量2000倍的负载，显著增强了承载能力[95]。LCE基体的可逆结晶性进一步使其能够在制造后重新编程为弹簧、线圈和自适应夹具，将电热驱动转变为相位可编程的重构机制（图2a）。

图2 基于碳和金属导电填料及导线的代表性电热驱动LCE执行器。(a) 由LCE和CNTs组成的扭曲纤维执行器的示例，扫描电子显微图显示了缠绕在LCE纤维基质上的森林拉拔CNTs（顶部左侧）和横截面视图（顶部右侧），以及钩型夹具配置的实验演示（底部）。经许可复制自[95]。版权2025 Elsevier。(b) LCE-石墨烯复合纤维的示意图，展示了可逆的渗透驱动形状变形（顶部）。连续纤维缠绕在卷轴上的照片（底部左侧）（刻度尺，2 cm），1000股复合纤维束模仿动物组织结构（底部中间）（刻度尺，1 cm），LCE-石墨烯在放松和收缩状态下的光学显微图（底部左侧）（刻度尺，200 μm）。经许可复制自[96]，版权作者2022 Nature，授权许可CC BY 4.0。(c) 示意图展示了LCE-LM复合材料的分子、微观和介观有序性（左侧），以及焦耳加热的50 vol% LCE-LM在穿刺后仍能保持功能的抗损伤驱动（右侧）（刻度尺，10 mm）。经许可复制自[59]。版权所有 2019 PNAS。 (d) 大象鼻子肌肉结构的插图（纵向和斜向纤维），以及基于LCE的机械臂的制造过程，展示了嵌入了卷曲铜加热器的LCE纤维，可以实现大的、可逆的电热变形。经许可复制自[97]。版权所有 2024 John Wiley and Sons。 (e) MXene-LCE双层的光学图像（左上角）和横截面SEM图像显示了双层结构，弹性体基质中的液晶介观剂以黄色棒状特征突出显示（右上角），电热驱动前后的双层光学图像（底部）（比例尺，1厘米）。经许可复制自[98]。版权所有 2023 Elsevier。纤维制造的进步进一步提升了基于CNT的电热性能。通过液相拉伸连续生产的CNT对齐LCE纤维具有高达12.5 S m?1的导电性，在1 MPa负载下可收缩27.8%，其特定工作输出超过了生物肌肉[99]。结合剪刀状框架的层次化CNT结构可以实现约40%的应变，并具有高循环耐久性，而基于挤出的加工方法可以生产出在CNT负载低至2 wt%时能够实现双电热和光热驱动的米级纤维[58, 100]。与分散了大量纳米填料的系统相比，基于对齐CNT片材或结构化导电框架的系统特别有利，因为它们减少了对LCE基质本身过高填料负载的需求，从而缓解了通常与刚性纳米填料渗透相关的硬化和驱动损失。除了CNT之外，基于石墨烯的填料提供了一种替代的碳策略，其特点是二维几何结构和动态演变的渗透网络。嵌入对齐LCE基质中的剥离石墨烯片层在驱动过程中会形成导电路径，通过动态的渗透-去渗透过程实现类似肌肉的收缩[101]。电化学剥离的石墨烯在纤维纺丝过程中与向列相取向对齐，π-π相互作用在驱动状态下增强了导电性和刚性。然而，与其它刚性碳纳米填料一样，石墨烯的负载也必须谨慎平衡。优化的石墨烯-LCE复合材料（约0.3 wt%）可实现高达45%的可逆应变，工作能力为650 J kg?1，功率密度接近300 W kg?1，性能优于天然肌肉，同时表现出明显的电流调制，反映了可逆的网络形成（图2b）[96]。

2.1.2 基于金属的电热LCE系统
与基于碳的策略并行，基于金属的电热架构通过提供均匀的电荷传输、高电导率和可编程的加热几何形状，为电驱动的LCE驱动提供了另一种途径[59, 88, 102]。例如，液态金属（LMs），特别是共晶镓-铟（EGaIn），特别有吸引力，因为它们结合了金属导电性和流体般的可变形性，能够形成自修复的导电路径，在大应变下保持电连续性，使其非常适合用于柔性电子和微流体应用[42, 65, 80, 96, 103-105]。一个典型的例子是LM微滴分散在整个LCE基质中的复合薄膜。这些通过剪切混合制备的LM微滴作为嵌入的焦耳加热元件，在施加足够压力时，微滴会在局部破裂，在LCE薄膜中形成导电路径。所得到的50体积%（83重量%）的LCE/LM复合材料表现出约1×104–2×104 S m?1的电导率。值得注意的是，该材料能够选择性地生成导电路径并在部分损坏后重新建立它们，表明具有一定程度的抗损伤电功能[59]。后续研究表明，LM微滴的大小对电热性能有重要影响，较小的微滴由于界面面积增加和聚合物移动性受限而增强了刚性和力输出，但同时也抑制了驱动应变。在70 kPa的负载下，较大微滴（>100 μm）的固有热驱动应变从>50%下降到约10 μm或更小微滴的不到5%[106]。封装的LM加热器和基于微通道的架构进一步扩展了这一策略，使得在对齐的LCE单畴中实现无泄漏和空间定位的焦耳加热[107]。增材制造和图案化的最新进展扩展了LM驱动电热eLCE的设计空间。直接墨水书写和4D打印允许对LM分布和导电路径进行空间控制，通过几何定义的加热实现可编程的变形模式[108]。可打印的LCE/LM复合材料含有88 wt%的EGaIn，形成了连续的导电网络，在1.6 V和0.4 A的条件下表现出约11.4%的收缩。然而，如此高的LM负载也干扰了光交联，增加了复合材料的模量，并降低了LCE网络的固有驱动应变，突显了导电性和可变形性之间的权衡。为了解决这个问题，多材料打印被用来结合导电和非导电区域，从而在保持较高变形的同时保持电驱动能力。这些结果表明，改进的电和热传输可能需要新的结构设计，例如连接孔架构，这些设计可以在不过度损失驱动性能的情况下保持导电性[109]。更广泛地说，图案化的LM涂层、嵌入的迹线和数字打印的架构通过实现几何定义的电热驱动，包括选择性弯曲、振荡和运动，同时提供了高的设计自由度和制造可扩展性[110, 111]。除了表面图案化之外，内部LM集成引入了额外的功能，如大的收缩应变、电阻式自感应和闭环控制。开发了一种同轴架构，其中纯LM核心被封装在单畴LCE壳层内[112]。在施加电压时，LM核心的焦耳加热引起了核心-壳层纤维的收缩。由于LM的电电阻随纤维变形而变化，执行器同时可以作为自感应元件。这种驱动和电阻反馈之间的耦合进一步实现了驱动响应的闭环调节，系统在仅有3.1%的超调和4.5%的欠调的情况下保持了目标电阻。尽管增加的结构厚度会减慢驱动响应，但包含连续LM中间层的层压配置可以提供更均匀的加热和更好的能量效率，从而帮助平衡驱动速度和整体性能[88]。除了基于LM的方法之外，金属加热线代表了一种简便的方法，提供了超高的导电性和与电路级设计的兼容性。嵌入的蛇形或卷曲线架构产生了与取向方向对齐的各向异性热场，实现了可编程的收缩、弯曲、扭转和扭曲[44, 113-115]。虽然刚性-柔软模量不匹配仍然是一个挑战，但仔细的电路设计和混合架构已经实现了多功能软机器人、仿生人工肌肉和无需外接电源的电热系统[97, 116-118]。早期的电热系统表明，嵌入的线架构可以支持复杂和多功能的变形。例如，一个单轴对齐的LCE/PI复合材料中嵌入了Ni–Cr线，采用了S形加热器布局，在8.2 V（0.655 W）下实现了高达600°的弯曲[113]。可逆的有序-无序转变实现了3D形状的可编程性，包括自锁定、双足行走、在受限空间中爬行和推动物体，展示了电驱动LCE软机器人在适应性驱动方面的潜力。同样，通过在LCE薄膜之间层压三根蛇形加热线制成的管状LCE执行器在3 V下实现了高达41%的收缩[44]。独立激活电线可以实现定向弯曲，而同时加热则产生了均匀的收缩，允许电路编程的多功能抓取和无需外接电源的软体机器人行为。柔性印刷电路板也被用作集成加热器：一种聚酰亚胺支持的铜蛇形迹线在3 g负载下产生了30%的应变，在2 W时实现了低功耗的无需外接电源的运动[116]。类似地，嵌入在LCE条带中的Ni–Cr加热线圈在Kapton被动层的支持下实现了可编程的表面变形和物体操控[119]。最近的研究表明，将卷曲的金属加热元件集成到结构化的LCE纤维组件中可以实现类似大象鼻子的软体机器人手臂。通过独立激活空间排列的纤维段，系统实现了广泛的多模态变形，包括协调的弯曲、扭转和收缩（图2d）[97]。除了传统的金属之外，二维过渡金属碳化物和氮化物（MXenes）最近作为高效导电填料或电热LCE系统的图案而出现。与嵌入填料的复合材料不同，MXene-LCE系统采用双层架构，其中高导电性的Ti3C2Tx MXene层层压在对齐的LCE基底上。LCE的编程对齐决定了变形模式，0°的偏移角度产生了最大697°的弯曲角度，而±60°的偏移角度产生了定向扭转（图2e）[98]。随着这些进步，基于金属的电热LCE执行器正在从被动加热元件发展到智能和多功能系统，其中混合金属-聚合物电路实现了闭环热和机械调节、自稳定驱动和改进的耐用性[120]。总体而言，这些研究表明，电热刺激构成了驱动基于LCE系统的电控驱动的强大而多用途的机制。通过将焦耳加热与液晶相变相结合，电热eLCE实现了大的应变、低电压操作，并与从碳基或金属基纳米复合材料到基于金属的混合电路的各种材料架构兼容。同时，导电性、可变形性、响应时间和能量效率之间的反复权衡突显了需要仔细的材料和结构设计。在更广泛的电响应LCE背景下，电热机制为与后续章节讨论的场驱动和离子介导的驱动策略提供了重要的参考点。

2.2 LCE中的电机械机制（电场）
LCE中的电机械驱动可以通过两种不同的电气途径实现：(i) 由介电各向异性引起的介观剂重新定向和(ii) 类似于介电弹性执行器的麦克斯韦应力驱动的弹性变形[59, 88, 102]。与电热驱动不同，这些机制直接将电场与分子取向或弹性响应耦合，实现了快速和局部的变形，而无需整体加热。在这两种情况下，驱动力都来源于LCE内部的场-材料耦合。

2.2.1 电场诱导的LCE中的介观剂重新定向
电场诱导的介观剂重新定向是LCE及相关液晶网络中最直接的电机械途径之一。这种机制源于施加的电场与介观单元的介电各向异性之间的相互作用，产生了一个介电扭矩，扰乱了它们的初始取向并改变了局部向列序[121, 122]。具有正Δε的介观剂倾向于沿着场方向排列，而具有负Δε的介观剂则倾向于垂直于场方向排列。由于介观剂嵌入在交联的聚合物网络中，这种场驱动的分子重组产生了宏观变形，如弯曲、收缩、剪切或各向异性应变[9, 123-125]。驱动方向和幅度由介电各向异性（Δε = ε∥ ? ε⊥）决定，该各向异性由平行（ε∥）和垂直（ε⊥）于介观剂轴的介电常数定义。由于聚合物网络限制了介观剂的完全旋转，因此变形保持可控且可逆。驱动效率取决于介电扭矩和弹性恢复力之间的平衡；因此，增加Δε或降低弹性模量可以增强介观剂的移动性和应变输出[126-128]。为了增强场-材料耦合并降低工作电压，已经广泛采用了诸如加入高介电常数纳米颗粒、极性介观剂或工程化偶极子等策略[129, 130]。同时，也应认识到这种机制的实际限制。在许多合成的LCE系统中，固有的介电各向异性相对较低，因此单独的介电扭矩通常不足以产生大的整体变形[50]。因此，只有当场耦合得到增强或弹性阻力降低时，例如通过膨胀的或凝胶状的材料、薄表面主导的几何形状、纳米复合材料设计或耦合的界面和静电效应，才能实现更强的电机械响应。因此，尽管电场诱导的介观剂重新定向在概念上很重要，但其实际驱动性能在很大程度上取决于材料设计。增强介电扭矩驱动驱动的一个重要策略是降低网络的弹性阻力。早期研究表明，用低分子量液晶（LC）溶剂膨胀的向列LCE可以通过降低有效网络模量显著增强电机械变形[131]。最初观察到用苯基环己烷向列混合物膨胀的LCE在直流场0.3 V μm?1下发生了形状变化，后来膨胀的多畴LCE在相同场下表现出约10%的形状变化[132]。对用5CB膨胀的多畴和单畴LCE的更详细研究表明，在溶剂保持其向列相的情况下，当场强在0.01至1 V μm?1范围内时，变形可达13%[133]。后续工作进一步表明，电机械响应强烈依赖于弹性体和LC溶剂的相对介电各向异性，当两者都具有相同符号的介电各向异性时，可以获得最高的变形，场强在0.5 V μm?1以下时应变可高达20%[134]。类似地，具有较低旋转障碍和较低分子间摩擦的LC凝胶比未膨胀的弹性体产生了更大的场驱动应变，进一步突显了降低网络阻力在实现介观剂重新定向中的重要性[135]。这种响应在薄或表面主导的LC涂层中也很明显，即使只是部分扰动取向顺序也能产生明显的地形变化。使用交替电场通过交错电极在薄LC聚合物网络（约2.5 μm）中实现了表面振荡[125]。在这些系统中，具有正Δε各向同性的表面介晶体在垂直的交流电场下会经历振荡性的介电扭矩。尽管刚性网络抑制了完全的重新定向，但周期性的应力产生和自由体积的调制导致了持续的表面振荡。类似的概念也被扩展到了手性向列涂层和液晶弹性体（LCEs），在这些材料中，螺旋状的分子排列使得场诱导的液晶序的扰动能够产生可逆的起伏反转[136]。在手性向列LCE中，如果螺旋方向沿着薄膜平面，通过交错排列的电极施加的交变电场可以切换与交替的各向同性和平面排列相关的凸起和凹陷。在900 kHz、16.1 V μm?1的电场下，表面高度变化了初始涂层厚度的约6%，响应时间约为10秒，同时伴随着薄膜厚度的整体增加和快速的表面振荡。在这些高度交联且不会膨胀的材料中，介晶体的完全重新定向受到了很大限制。相反，电场扰动了液晶序，产生了各向异性的应力和体积膨胀，从而驱动了观察到的表面变形。除了展示机电响应性之外，这种振荡运动还能通过机械方式移除表面颗粒，为光学和太阳能设备表面提供了一种低能耗、无水的清洁策略（图3a）。

图3：电场驱动的LCEs中的驱动和变形行为。(a) 示意图显示了一个具有正偶极矩的LC分子，在垂直于电场时经历最大扭矩（顶部），以及其光学显微镜图像（底部），快照显示了动态干式自清洁过程，即使在施加电场的情况下，仍有10 wt%的潮湿沙子附着在倾斜的涂层表面上（右侧）。改编自[136]，版权归作者所有，2018年John Wiley and Sons，根据CC BY 4.0许可协议发布。(b) 带有+1缺陷的光图案化SWNT-LCE薄膜的偏振显微照片，显示了局部分子和纳米管排列的等高线（左侧），加热前的拓扑特征（中间）以及施加电场后的特征（右侧）。经许可复制自[130]，版权归2017年美国化学学会所有。(c) LCE薄膜在施加电场下径向膨胀，从平坦状态（电压关闭）转变为圆锥形状（电压开启）。经许可复制自[9]，版权归2021年John Wiley and Sons所有。(d) 单轴对齐的DLCEA在关闭和开启状态下的示意图（左侧），通过像素化偏振器图案化的方位-径向缺陷阵列实现凹陷图案驱动（中间顶部），LCE薄膜在交叉偏振器下显示单轴排列（中间底部），并在2.5 kV下明显变形（右侧）（刻度尺，4 mm）。改编自[137]，版权归作者所有，2018年AAAS，根据CC BY 4.0许可协议发布。纳米复合设计提供了另一种增强场耦合的途径。由于原始的LCEs通常表现出相对较低的介电常数，因此掺杂了CNT的LCEs被探索作为纳米复合机电执行器。即使在非常低的CNT负载量（约0.02 wt%）下，对齐的CNT也能显著增强向列LCEs的介电极化和应力传递，使得在没有热辅助的情况下，在约1.9 × 10^6 V μm?1的电场下实现可逆的单轴变形，这证实了一种纯粹的机电机制[121]。对介晶体和CNT排列的空间控制进一步实现了可编程的3D形状变化。一项研究表明，单壁碳纳米管（SWCNTs）被整合到LCEs中，并使用紫外线进行定向，改善了复合材料的机电响应。响应强烈依赖于温度，在室温下的直流电场下几乎没有变形。然而，在90°C下，1.5 V μm?1的直流电场下，像素化的SWCNT-LCE薄膜表现出快速、可逆的圆锥形变形，而仅靠热激活只能产生浅曲率（图3b）[130]。导向场可以被编程为+1径向缺陷，允许在独立寻址下实现电驱动的拓扑形状变化。这种行为源于CNTs和介晶体的协同旋转以及界面极化效应的结合，实现了多方向和可编程的机电驱动。后续的材料化学改进使得SWCNT-LCE执行器能够在环境条件下和家庭可获得的电压（1.4 V μm?1的直流场）下运行，在约140 kPa的机械负载下表现出超过4%的收缩，与天然肌肉的性能相当[129]。这些更强的响应通常被认为是由于极化和界面耦合的增强，而不仅仅是由于内在的介电各向异性。

2.2.2 介电LCEs中的麦克斯韦应力驱动的机电驱动
一种根本不同的机电驱动方式是通过麦克斯韦应力来实现的，类似于DEAs。在传统的DEA中，夹在柔顺电极之间的软质介电弹性体薄膜在高压下会经历静电压力，导致厚度压缩和横向膨胀。这种方法提供了大的应变、快速的响应和高能量效率，使麦克斯韦应力驱动的驱动成为电活性人工肌肉的主要方法之一[138]。这种介电弹性体所能实现的应变受到介电常数、机械柔顺性和薄膜厚度的共同影响。代表性的丙烯酸DEAs在无应力条件下可以展示超过100%的驱动应变，在通常低于0.5 MPa的负载下可以实现约20%–40%的应变，而它们的阻断应力通常限制在约0.1–0.4 MPa，这限制了在高负载下的有用工作输出[139]。基于PDMS的DEAs通常显示出较低的工作密度，但由于其低机械损耗，可以在约200–600 Hz的高频率下运行，功率密度超过500 W kg?1[140-142]。然而，传统的各向同性DEAs在薄膜平面内的膨胀通常更为均匀，实现定向或复杂变形通常需要预拉伸、多层堆叠、图案化电极或其他复杂的设备架构。当这种操作原理被扩展到LCEs时，所得到的介电LCEs（DLCEs）保留了DEAs的速度和效率，同时引入了一个重要的额外优势：LC网络在机械和介电响应上都是各向异性的。因此，对齐的介电LCEs优先沿着由导向剂定义的路径变形，最常见的是沿着垂直于向列排列的机械较软的方向[143]。这种内置的各向异性使得变形方向、曲率和模式可以直接通过分子排列编码到材料中，允许在单体薄膜中实现比传统DEAs通常更可编程和几何上更复杂的驱动。此外，LCEs的各向异性和应变软化机制为在负载下的改进介电驱动提供了有希望的途径。最近在DLCEs中的发展展示了如何通过分子和网络设计来增强麦克斯韦应力驱动的变形。使用定制的硫醇-丙烯酸网络化学制备的DLCEs具有较大的模量对比（约14:1）和增加的介电常数（约6.2），在0.5–6 kV的电场下可以实现接近20%的定向应变[9]。响应是可逆的，具有最小的滞后，并且驱动速率为约18% s?1。将向列导向剂图案化为+1方位缺陷几何形状，可以将平坦薄膜转化为在施加电压下高度约为8 mm的3D圆锥形执行器。这样的图案化元件阵列可以实现顺序和可寻址的变形，展示了可重构的触觉界面和软体机器人系统的潜力（图3c）。进一步优化基于硫醇-烯的LCE网络改善了介电响应性和机械柔顺性之间的平衡。引入烯丙醚官能化的介晶体降低了弹性模量，同时增强了介电耦合，使得在快速且可重复的驱动下实现高达30%的定向应变[144]。这些分子设计策略提高了机电效率、稳定性和耐用性，使硫醇-烯DLCEs成为有前途的自适应软体执行器候选者。设计的导向场提供了另一种高性能麦克斯韦应力驱动驱动的途径。具有光对准分子导向剂的单体DLCE执行器展示了可调的弹性各向异性和泊松比对比，使得无需预拉伸即可实现高效的场驱动变形[137]。在施加的电场下，变形优先沿着垂直于LC导向剂的机械较软轴发生，能量转换效率高达20%，响应速率约为120% s?1。光学对准实现了可编程的高斯曲率，产生了圆锥形或马鞍形的形态，而像素化的导向剂图案产生了适合自适应表面和软体机器人应用的复杂、出平面的机电变形（图3d）。尽管有这些优势，DLCEs的一个主要限制仍然是高驱动电压。因此，后续的努力集中在降低操作电压的同时保持大的应变。通过利用优化LCE薄膜的软弹性和高介电常数，在400 V（20 V μm?1）下实现了高达88%的应变，证明了当低模量和高介电常数结合时可以实现显著的麦克斯韦应力驱动变形[145]。最近，开发出了具有多模式驱动的重复可编程DLCEs，在液晶相变前后显示出不同的介电驱动模式。通过结合可重新编程的网络化学和空间电荷辅助的驱动机制，这些系统在低至8 V μm?1的场下实现了双向和多模式驱动，将DLCEs从静态定向变形扩展到了自适应和可重构的电驱动软体执行器[146]。此外，最近的高性能DLCE研究显示，单畴LCEs的各向异性和应变软化机制也可以解决传统DEAs在负载下的一个主要弱点，即它们相对较低的阻断应力。通过调整交联化学和机械对准，单层DLCEs被设计为在大于1.5 MPa的负载下实现超过20%的驱动应变，同时具有高能量和功率密度，表明LCEs不仅可以提供可编程性，还可以在机械要求高的条件下提供改进的工作输出[147]。总的来说，电场诱导的介晶体重新定向和麦克斯韦应力驱动的弹性变形突显了基于电场的驱动在LCEs中的多功能性。与电热机制相比，机电驱动通常需要更高的驱动电压，但能够实现快速、局部的、无加热的变形，为需要高速响应和精确操控的应用提供了互补的优势。

2.3 LCEs中的静电机制
与体块机电驱动不同，LCEs中的静电驱动是通过介电各向异性与电场耦合，在弹性体内产生麦克斯韦应力来实现的。在传统的DEA中，夹在柔顺电极之间的软质介电弹性体薄膜在高电压下会经历静电压力，导致厚度压缩和横向膨胀。这种方法提供了大的应变、快速响应和高能量效率，使麦克斯韦应力驱动的驱动成为电活性人工肌肉的主要方法之一[138]。这种介电弹性体所能实现的应变受到介电常数、机械柔顺性和薄膜厚度的共同影响。代表性的丙烯酸DEAs在无应力条件下可以展示超过100%的驱动应变，在通常低于0.5 MPa的负载下可以实现约20%–40%的应变，而它们的阻断应力通常限制在约0.1–0.4 MPa，这限制了在高负载下的有用工作输出[139]。基于PDMS的DEAs通常显示较低的工作密度，但由于其低机械损耗，可以在约200–600 Hz的高频率下运行，功率密度超过500 W kg?1[140-142]。然而，传统的各向同性DEAs在薄膜平面内的膨胀通常更为均匀，实现定向或复杂变形通常需要预拉伸、多层堆叠、图案化电极或其他复杂的设备架构。当这种操作原理被扩展到LCEs时，所得到的介电LCEs（DLCEs）保留了DEAs的速度和效率，同时引入了一个重要的额外优势：LC网络在机械和介电响应上都是固有的各向异性的。因此，对齐的介电LCEs优先沿着由导向剂定义的路径变形，最常见的是沿着垂直于向列排列的机械较软的方向[143]。这种内置的各向异性使得变形方向、曲率和模式可以直接通过分子排列编码到材料中，允许在单体薄膜中实现比传统DEAs通常更可编程和几何上更复杂的驱动。此外，LCEs的各向异性和应变软化机制为在负载下的改进介电驱动提供了有希望的途径。最近在DLCEs中的发展展示了分子和网络设计如何增强麦克斯韦应力驱动的变形。通过定制的硫醇-丙烯酸网络化学制备的DLCEs具有较大的模量对比（约14:1）和增加的介电常数（约6.2），在0.5–6 kV的电场下可以实现接近20%的定向应变[9]。响应是可逆的，具有最小的滞后，驱动速率为约18% s?1。将向列导向剂图案化为+1方位缺陷几何形状，可以将平坦薄膜转化为在施加电压下高度约为8 mm的3D圆锥形执行器。这样的图案化元件阵列实现了顺序和可寻址的变形，展示了可重构的触觉界面和软体机器人系统的潜力（图3c）。进一步优化基于硫醇-烯的LCE网络改善了介电响应性和机械柔顺性之间的平衡。引入烯丙醚官能化的介晶体降低了弹性模量，同时增强了介电耦合，使得在快速且可重复的驱动下实现高达30%的定向应变[144]。这些分子设计策略提高了机电效率、稳定性和耐用性，使硫醇-烯DLCEs成为有前途的自适应软体执行器候选者。设计的导向场提供了另一种高性能麦克斯韦应力驱动驱动的途径。具有光对准分子导向剂的单体DLCE执行器展示了可调的弹性各向异性和泊松比对比，使得无需预拉伸即可实现高效的场驱动变形[137]。在施加的电场下，变形优先沿着垂直于LC导向剂的机械较软轴发生，能量转换效率高达20%，响应速率约为120% s?1。光学对准实现了可编程的高斯曲率，产生了圆锥形或马鞍形的形态，而像素化的导向剂图案产生了适合自适应表面和软体机器人应用的复杂、出平面的机电变形（图3d）。尽管有这些优势，DLCEs的一个主要限制仍然是高驱动电压。因此，后续的努力集中在在保持大应变的同时降低操作电压上。通过利用优化LCE薄膜的软弹性和高介电常数，在400 V（20 V μm?1）下实现了高达88%的应变，证明了当低模量和高介电常数结合时可以实现显著的麦克斯韦应力驱动变形[145]。最近，开发出了具有多模式驱动的重复可编程DLCEs，在液晶相变前后表现出不同的介电驱动模式。通过结合可重新编程的网络化学和空间电荷辅助的驱动机制，这些系统在低至8 V μm?1的场下实现了双向和多模式驱动，将DLCEs从静态定向变形扩展到了自适应和可重构的电驱动软体执行器[146]。此外，最近的高性能DLCE研究显示，单畴LCEs的各向异性和应变软化机制也可以解决传统DEAs在负载下的一个主要弱点，即它们相对较低的阻断应力。通过调整交联化学和机械对准，单层DLCEs被设计为在大于1.5 MPa的负载下实现超过20%的驱动应变，同时具有高能量和功率密度，表明LCEs不仅可以提供可编程性，还可以在机械要求高的条件下提供改进的工作输出[147]。总的来说，电场诱导的介晶体重新定向和麦克斯韦应力驱动的弹性变形突显了基于电场的驱动在LCEs中的多功能性。与电热机制相比，机电驱动通常需要更高的驱动电压，但能够实现快速、局部的、无加热的变形，为需要高速响应和精确操控的应用提供了互补的优势。

2.3 LCEs中的静电机制
与体块机电驱动不同，LCEs中的静电驱动是通过电荷积累和材料-电极界面处的库仑相互作用来控制的。静电力在带相反电荷或偏置的电极之间产生，产生局部 Normal 力，压缩弹性体厚度并引起横向或弯曲变形。因此，虽然麦克斯韦应力驱动的驱动是通过夹层弹性体薄膜的介电体来实现的，但静电LCE系统通常由表面充电、空气间隙电容器几何结构或局部电极相互作用所主导。由于变形是由界面电荷重新分布而不是体块加热或体块介晶体重新定向驱动的，静电驱动能够实现快速、等温和局部的运动[138, 148, 149]。静电驱动具有吸引力，因为它可以在没有热积累的情况下产生变形，并且可以在电控条件下支持快速响应。在传统的静电软体执行器和相关的介电弹性体系统中，通常使用各向同性的弹性体，如硅、丙烯酸酯和尿烷，定向变形通常是通过预拉伸、结构不对称性或电极设计来实现的[150, 151]。相比之下，LCEs提供了一个额外的设计优势，因为对齐的液晶网络本质上是各向异性的。因此，局部在界面或沿图案化电极的静电力可以转化为比类似几何形状的各向同性弹性体更定向和机械引导的运动。静电LCE系统通常依赖于直接充电配置，其中表面电荷积累产生朝向对电极的强库仑吸引力。在一个代表性的架构中，LCE薄膜的一端被电接触，而另一端通过空气间隙隔开，形成类似电容器的结构。在施加电压时，表面电荷积累产生库仑吸引力，驱动弯曲、振荡和大幅度变形，而不需要柔顺的夹层电极。这种直接充电的静电策略实现了高频操作和复杂的形状重构。静电LCE执行器已经展示了高达约25 Hz的频率，空间电场工程实现了大程度的自由度。图案化的像素化电极允许独立控制多个LCE段，产生可编程的运动，如弹出字母、七段显示和在单个连续薄膜内的自由形式振荡器（图4a）[152]。

图4：展示LCE中电场诱导的变形。(a) 受剪纸启发的LCE弹簧固定在顶部，底部电极在电压作用下受到吸引（左上），振荡幅度与电压频率的关系显示在较高频率下变形减少（P），在20 Hz时响应稳定（中间顶部），最大变形ΔP（右上），像素电极诱导的静电力使得弹出字母的选择性变形，限制了e-LCE的运动（底部）。经许可复制自[152]，版权归2023年Elsevier所有。(b) 说明L当施加交流电压时，快速的电荷重新分布会产生可逆的振荡变形，其响应时间在约5千伏的工作电压下可短至0.1秒，并且性能稳定，可达到10赫兹[153]。如图4b所示，电压会诱导材料向激活电极方向弯曲，从而产生可调的偏转角度。通过依次激活电极段，可以在单个执行器内实现弯曲、振荡和旋转模式之间的转换。这些静电策略共同确立了电荷驱动的驱动方式，作为电响应性液晶弹性体（LCEs）的补充途径。尽管目前电驱动方法相比电热和机械方法还不够成熟，但它在响应速度、空间选择性和等温操作方面具有优势，这使得它适用于需要高频、局部化和可编程变形的应用。

2.4 液晶弹性体（LCEs）中的电化学机制

离子系统是指以离子而非电子或空穴作为信号传输和转换的主要载流子的系统[154-158]。在LCEs中，通过电解质（无论是水溶液盐[159-163]还是室温离子液体（ILs）[164-168]）使聚合物网络膨胀，可以创建利用LCEs各向异性分子有序结构的电化学平台[163]。液晶网络形成了低扭曲度的离子纳米通道，加速了离子的定向迁移，并允许通过热、机械或电刺激可逆地调节离子导电性[163, 169, 170]。

2.4.1 LCEs中的离子传输和电化学驱动

在离子LCEs中，电化学驱动通过在场定向的离子迁移将电输入转换为机械变形[161, 164, 168, 171-174]。与各向同性的水凝胶或非晶态离子凝胶不同，LCEs中对齐的介晶基元提供了低扭曲度的离子传输路径，使得离子运动更加定向和高效。这种结构各向异性不仅降低了内部传输阻力，还将不对称的离子重新分布转化为可编程的宏观变形。在典型的离子LCE执行器中，可移动的阳离子和阴离子在电场的作用下向相反的电极迁移，并在薄膜厚度上不对称地积累。例如，含有1-己基-3-甲基咪唑鎓六氟磷酸盐([HMIM][PF6])的IL膨胀LCE薄膜在低于1伏的电压下表现出可逆的弯曲，这突显了离子驱动驱动的低功耗特性[171]。由此产生的离子分布不平衡会在执行器的一侧产生拉伸应力，在另一侧产生压缩应力，从而实现可逆的低电压驱动。重要的是，电机械响应对液晶网络的对齐状态非常敏感：平面排列的样品表现出更高的离子导电性、更快的切换速度和更大的弯曲应变，优于各向异性或各向同性的对应样品。这些观察结果表明，离子LCEs中的分子排列不仅决定了机械各向异性，还影响了离子传输的效率以及由此产生的宏观驱动行为。

2.4.2 LCEs中的应变耦合传感

离子LCEs还表现出应变依赖的离子传感特性，其中机械变形直接调节各向异性软结构内的离子传输[170, 173, 176]。在一个代表性的系统中，含有IL的离子LCE纤维在2000%的拉伸应变下离子导电性增加了近三个数量级[169]。这种不寻常的响应源于液晶网络在应变作用下的结构演变：初始的介晶基元对齐随后在超过200%的应变下发生向列相到向列相的转变和微相分离，形成了低扭曲度的离子导电纳米通道。在特定的应变范围内，系统逆转了Pouillet定律预测的电阻增加，从而实现了能够区分波形的传感，其中电响应编码了应变历史而不仅仅是简单的振幅。由此产生的灵敏度因子GF定义为GF = ?(ΔR/R0)/?ε，在三种变形范围内表现出不同的行为，引入了一种基于离子传输调节而非电子渗透的传感范式。除了应变依赖的传感外，离子LCEs还可以通过结合离子导电性和对齐液晶网络的内在刺激响应性来表现出多功能响应[163, 167, 173]。在同一离子LCE平台上，IL的加入保留了LCEs的内在热驱动特性，使得纤维在加热时能够迅速收缩，并且在大多数情况下其驱动能力超过了纯LCE纤维。此外，加入光热染料可以实现远程光驱动，而离子导电纤维允许在驱动过程中同时监测应力和电阻的变化。这些结果表明，离子LCEs不仅限于变形传感，还可以在单一的软材料平台上集成传感、驱动和反馈功能，这对于受环境影响的长期运行的软体机器人应用非常有吸引力。

2.4.3 对齐增强的电化学能量功能

对齐的LCE网络还增强了电化学能量存储和收集能力[165, 166, 175, 177-180]。在固态锂离子电池电解质中，对齐的LCEs作为低扭曲度的Li+传导路径，实现了室温下的离子导电性约为3 mS cm?1，同时保持了机械柔顺性，以确保电极的稳定接触[166]。通过优化介晶基元含量和交联密度，循环耐用性得到提高，容量保持率从约35%提高到1C条件下的450次循环后超过90%，这与均匀的离子流、抑制的枝晶形成和降低的过电位一致。这些结果表明，对齐LCE电解质的优势不仅在于快速的Li+传输，还在于它们能够在单一固态电解质平台上整合离子传导、平衡的刚性和灵活性、界面兼容性以及抑制枝晶形成。离子热电系统通过移动离子的热扩散迁移从温度梯度中产生电输出，这在热电转换中诱导了电荷分离。在基于离子的热电系统中，对齐的离子LCE纤维表现出增强的热扩散传输，塞贝克系数达到了25.8 mV K?1，离子导电性达到了21.5 mS m?1，分别相当于通过优化对齐实现了大约三倍和三十倍的改进[175]。值得注意的是，这个塞贝克系数是迄今为止报道的离子热电纤维中最高的。除了这些改进的热电性能外，机械上坚固且可编织的纤维结构也非常适合在柔性、纺织兼容的格式中高效和稳定地收集热能。这些电化学机制共同展示了LCEs中的各向异性离子传输如何在电响应性软材料中提供互补的驱动和转换路径。尽管电热或机械方法还不够成熟，但基于离子的机制通过可编程的离子路径独特地结合了变形、传感和能量功能，支持低功耗、多功能和自适应的软系统。然而，电化学eLCEs的设计空间受到在最大化离子导电性和保持液晶有序性之间的基本权衡的限制。虽然增加电解质含量可以提高离子传输，但过量的加入可能会使网络塑化并破坏介晶基元的对齐，最终降低精确驱动和转换所需的各向异性传输特性。尽管在电解质含量约为20-30 wt%时可以显著保持LCEs的结晶性[169, 171, 173]，但增加IL含量仍然是进一步提高其实际应用价值的必要条件。在这方面，最有前途的电化学eLCEs将是那些在离子迁移性、取向有序性和机械完整性之间取得谨慎平衡的。

2.5 电化学eLCE系统的机制总结

总之，四种不同的机制——电热、机械、静电和电化学——展示了电输入如何通过LCE基系统转化为机械变形、传感和能量功能的多种途径。这些机制涵盖了从焦耳加热、场驱动的介晶基元重新定向、界面静电力到各向异性离子传输、传感和能量存储等物理过程。每种机制在所需的触发方式、响应速度、功耗、空间可编程性和系统集成方面都具有独特的优势，表明它们在机器人技术和电子学领域具有巨大的潜力，如表1所总结的。驱动输入、驱动温度/响应时间、性能和应用以及参考文献将在下一节中根据具体应用需求进行讨论。

3 eLCEs的应用

3.1 软体机器人系统

早期的LCEs主要作为由外部热或光刺激驱动的软体执行器进行探索[181, 182]。尽管它们能够进行大范围且可逆的变形，但由于缺乏内在的电学功能，因此需要外部加热器、光源和控制单元，增加了系统的复杂性以及许多外部附件。因此，早期的LCE基机器人依赖于笨重的附加组件，这限制了它们的高效集成、自主性和可扩展性。eLCEs的出现通过实现直接的电控制驱动改变了这一模式。在弹性体基质中加入导电填料、金属网络或嵌入式电路，使得电信号可以直接传递到活性材料，通过电可寻址的机制驱动变形。其中，电热激活在其中发挥了重要作用，其中局部的焦耳加热触发了向列相到各向同性相的转变[59]。更广泛地说，这种集成使得eLCEs能够在单一材料体内完成驱动循环，包括电输入、内部刺激转换和机械变形，减少了对外部组件的依赖，标志着从笨重的、有线连接的执行器向集成、紧凑的软体机器人的转变。

3.1.1 从外部有线连接的执行器到集成式软体机器人系统

最初的电集成尝试涉及将金属加热器或电极连接到LCE执行器的表面[183, 184]。一个典型的例子是集成有聚酰亚胺-金（PI-Au）网格加热器和硅光电探测器的爬行软体机器人（图6a）。电输入产生局部焦耳热，导致LCE周期性的收缩-伸展和定向爬行运动。尽管仍然需要外部电源，但这一设计标志着向电集成LCE机器人系统迈出的重要一步，在这种系统中，电子元件和软驱动器共存于一个柔性体内。图6展示了带有电路和电线的电集成LCE软体机器人：(a) 集成有PI-Au网格加热器和Si光电探测器的爬行软体机器人，与电热LCE驱动器结合使用，经许可复制自[184]，版权归2018年John Wiley and Sons所有；(b) 由电热LCE驱动器驱动的无线管状软体机器人，内置加热电线，经许可复制自[44]，版权归2019年AAAS所有；(c) 通过LCE基底上的图案化金电路实现电热驱动的变形人工手，经许可复制自[185]，版权归2021年John Wiley and Sons所有；(d) 具有金属图案化LCE电路的热驱动3D电子设备，适用于稳定的水环境操作和软夹持应用，改编自[186]，版权归2025年John Wiley and Sons所有，采用CC BY 4.0许可；(e) 由射频无线控制驱动的LCE基软驱动器，改编自[187]，版权归2025年Nature所有，采用CC BY 4.0许可。后续研究将电源和加热电线直接嵌入LCE网络中，使得无线管状软体机器人能够实现自加热和变形而无需外部连线（图6b[44]）。这些研究表明，可以在保持机械柔顺性和电路完整性的同时，在集成系统层面引入导电路径[57]。通过将加热和驱动功能集成到弹性体中，这样的设计简化了架构，提高了热响应效率，并扩展了机器人的形态。进一步的进展是从基于组装的集成转向电路-LCE复合材料的单片制造。在一种方法中，Ni/Cr电阻加热线被嵌入LCE薄膜中，并通过动态网络和高温焊接进行粘合，随后通过焦耳热辅助实现机械对齐。由此产生的结构化电子系统能够在组装材料系统中实现电加热、信号传输和机械变形（图6c[185]）。复杂的3D变形设备，包括手形驱动器，在大变形下仍保持稳定的导电性和柔顺性，将eLCE从软驱动器扩展到模块化组装的机电系统。

3.1.2 向自主和自适应系统发展
除了驱动功能外，最近的研究还将eLCE的系统集成扩展到了传感和反馈架构[174, 186]。嵌入LM导体或导电微通道网络使得用于驱动的相同电路径能够将机械变形转换为电信号（图6d）。这种双重功能实现了原位传感、闭环反馈和材料内的自适应响应，通过共享的电网络将驱动和传感结合在一起，推动了自监控软体机器人系统的发展。无线控制技术进一步扩展了eLCE机器人的能力[118, 188, 189]。与有线系统不同，基于射频（RF）的远程驱动使得机器人能够实现无线操作（图6e[187]）。嵌入LCE内部或打印在其上的导电迹线吸收RF能量并将其转化为局部热量，通过调节其共振频率来独立控制多个驱动器。消除电源线的限制提高了微型软体机器人、可植入生物界面和受限环境中的适用性。总体而言，嵌入式电路、传感元件和无线通信的集成将驱动、传感和控制统一在一个可变形的平台上。通过这一进展，eLCE已经发展成为多功能软体机器人系统，为自主人工肌肉、触觉机器人皮肤和生物启发式接口提供了重要机会。

3.2 自适应和可重构电子系统
随着eLCE向多功能系统的发展，越来越多的关注集中在与电子元件和微制造技术的集成上。除了驱动器之外，LCE还作为机械适应性基底或电子电路、传感器和接口的封装材料。这种能力使LCE成为主动电子平台，在这种平台上几何编程、机械柔顺性和电子功能是内在耦合的。

3.2.1 基于光刻技术的LCE基底微电子系统
光刻技术将成熟的微电子制造工艺与LCE的变形能力相结合[190, 191]。金属和介电层以微米级精度在LCE薄膜上形成图案，随后通过分子对齐实现编程形状变形[119]。扭曲向列或各向异性对齐的LCE基底可以首先制成平面形态，然后在热激活或释放过程中转变为3D结构（图7a[192]）。这种结构转变提高了操作过程中的应变容忍度和电气可靠性。利用光刻技术，包括金属-绝缘体-金属（MIM）电容器、多通道互连和微电极阵列等组件已在LCE基底上形成图案，同时保持了在热处理、溶剂处理和紫外线处理下的化学和机械稳定性。这些演示表明LCE是耐工艺的基底，支持传统的微制造工艺，并实现了制造后的形状可编程性。图7展示了通过光刻技术在LCE基底上制造的3D变形微电子设备，保持电气功能（图7a[192]，版权归2019年美国化学学会所有）；在LCE基底上通过光刻技术制造的3D可植入多通道神经电极阵列（图7b[193]，版权归2020年皇家化学学会所有，采用CC BY 4.0许可）；以及在LCE基底上制造的用于长期电生理记录的可部署神经微电极阵列（图7c[193]，版权归2022年Elsevier所有）。这种加工能力对于需要长期机械柔顺性和稳定组织接触的可植入和生物接口神经电子设备的制造特别有益。光刻图案化的LCE电极阵列可以以紧凑的平面形式插入，并在编程的分子对齐引导下自我展开为3D配置。自我展开使得插入过程最小化侵入性，同时增加了有效接触面积。超过8周的长期电生理记录证明了LCE作为自适应生物电子基底和封装材料的适用性。进一步的改进产生了插入后能够自我展开的微电极阵列（图7c[193]）。这些设备利用LCE基底的预编程收缩在组织中扩展，无需外部操作即可提高记录精度。这些研究共同将LCE定位为结构电子材料，在这种材料中电子功能和编程变形是内在关联的[195-197]。

3.2.2 基于LCE基底的打印和可重构电子系统
与光刻技术相比，基于打印的制造方法强调工艺简单性、几何自由度和可扩展性，同时保持所需的电气功能（图7d[194]）。直接在LCE薄膜上打印银纳米粒子墨水或导电聚合物可以形成电路，这些电路在热或光刺激下随基底变形。与刚性基底不同，LCE上的打印电子设备可以在不发生故障的情况下适应大的、可逆的形状变化，从而实现拓扑结构随材料变形而变化的可重构网络。打印方法非常适合大面积和非平面应用，包括可穿戴传感器、贴合式医疗设备和软体机器人控制电路。虽然光刻技术能够实现高集成密度和微尺度精度，但打印技术提供了结构适应性和大规模系统的可扩展制造。最近的研究进一步模糊了可重构电子设备和集成软体机器人皮肤之间的界限。使用薄LCE驱动器条与柔性加热器结合的毫米级全软可折叠机器人已在功能化软皮肤中得到展示，实现了局部转向、多个弯曲点以及通过受限环境的导航。尽管这种技术更适合作为集成软体机器人系统，而不是传统的打印电子基底，但它展示了如何将分布式电子元件和LCE驱动器共同设计在薄而柔顺的层中，以实现局部形状重构和自适应控制[198]。总的来说，光刻和打印技术涵盖了基于LCE的电子系统的制造范围。光刻方法能够实现具有精确功能的稳健微尺度架构，而打印技术则支持在大面积上的机械适应性电子器件。这些方法共同推动LCE从形状变形材料发展为混合电子平台，在这种平台上电路形成、传感和机械驱动是协同制造和系统集成的。这样的系统支持下一代生物贴合接口、可穿戴电子设备和软体机器人控制架构，将电子技术与动态材料行为相结合。

3.3 前景与展望
eLCE作为一种独特的软材料类别出现，它结合了结构弹性和电可编程功能。通过将液晶各向异性与弹性网络相结合，eLCE实现了多种机制，包括电热、机电、静电和电化学机制，将电输入转换为可逆和定向的机械变形。这种机械多样性使eLCE成为多功能电子、软体机器人和生物接口技术的多功能材料平台。尽管取得了快速进展，但将eLCE转化为实际系统仍面临关键挑战。例如，降低工作电压或提高能量效率是主要目标，因为许多当前设计依赖于高电场或电流密度，这限制了长期稳定性和安全操作。解决这些挑战需要材料化学方面的进步，包括高介电性介观剂、柔顺导电或离子网络以及增强重复电负荷下耐久性的动态交联策略。同时，可扩展的制造和系统级集成对于无缝结合电、热和机械功能的设备至关重要。展望未来，eLCE最令人兴奋的应用前景在于软体机器人和自适应电子技术的交叉领域，其中电驱动的形状、刚度和表面形态变化使得自感知驱动器、可重构电路和可编程变形设备成为可能。在单一可变形系统中集成驱动、传感和控制的能力仍然是相对于传统刚性平台的优势所在。最终，该领域预计将发展为多功能和自主材料系统，这些系统结合了多刺激响应性、嵌入式传感和数据驱动控制。随着这些能力的成熟，eLCE可能会从电响应聚合物发展为具有适应性和决策能力的材料智能架构，为下一代交互式电子和机器人技术奠定基础。

这项工作得到了韩国国家研究基金会（NRF）的支持，该基金会由科学和ICT部资助（项目编号RS-2024-00406534和RS-2025-25442809）。这项研究是作为KRICT核心项目（KS2621-20）和GO KRICT项目（BSF25-101）的一部分进行的。

作者声明没有利益冲突。数据可用性声明：支持本研究结果的数据可应相应作者的要求提供。