液晶，这个词，我们都很熟悉，这是一种兼具晶体和液体部分性质的材料，可以像液体一样流动，并且保留着部分晶态物质分子的有序排列的特质，由无数个微小的液晶基元组成，每一个液晶基元的分列组合排布都会影响整体，也就是俗称的“牵一发动全身”。

而弹性体在我们的日常生活中，也十分常见，比如橡皮筋，这一类材料在除去外力后能恢复原状。

而液晶弹性体就是兼具了液晶材料和弹性体的特质的一类材料。在外界刺激下，比如受到光、热、电等刺激时，会引发液晶弹性体中液晶基元排列有序度的变化，导致材料随之形变，当失去外界刺激后，液晶弹性体则会恢复到原来的模样。

这种智能柔性材料具有大尺度可逆形变、响应力学输出强、形变可编程等突出优点，早在1975年，诺贝尔物理学奖得主Pierre-Gilles de Gennes教授就预言液晶弹性体非常适合用于制造人工肌肉。

但是一桶一桶的液晶弹性体原材料如何能变成人工肌肉呢？这就需要科学家研究出特定的制备方法，才可以让这个优秀的智能材料为人们所用。

在过去的二十年中，熔融拉伸法、微流体法、直写式3D打印法、静电纺丝法等方法相继被开发出来用于制备纤维状的液晶弹性体，但这些方法都无法连续、高速制备高性能的人工肌肉微纤维。尽管我们知晓这种材料有许多优秀的特质，但是一直没有办法高效、低成本地使用它来制备人工肌肉，因此这一套流程仍停留在实验室阶段，无法大规模投入市场生产。

纤维状液晶弹性体的制备需要解决两个技术难题：1、纤维成型；2、液晶取向。传统方法常用的成型和取向思路是，首先利用模具来成型制备一根短纤维，然后通过将纤维沿长轴方向拉伸进行液晶取向，利用机械拉伸诱导纤维中原本杂乱无序排列的液晶基元沿拉伸方向有序排列。液晶取向对纤维状液晶弹性体的激发性能至关重要，高度有序的液晶取向有利于获得高性能的人工肌肉纤维。

但传统制备方法不但效率低、速度慢、无法连续批量制备，并且制备出的纤维综合激发性能难以大幅度提高。

蜘蛛，一种可以在腹部生产坚韧蛛丝的生物，是自然界中的纺织能手，专业特长制备高性能的微纤维。

蜘蛛首先在腹内分泌出液晶态“纺丝原液”，原液流过直径逐渐缩小的漏斗形通道后到达尾部的喷丝口，在此过程中纺丝原液不仅被通道约束变细成型，其中的液晶还受到碶形管壁的剪切作用而获得初步的取向；当初步取向的原液从喷丝头喷出，在体外成型形成蛛丝的同时，蜘蛛会用腿部牵引来拉伸蛛丝，目的是进一步细化取向纤维，获得强度高、韧性强的细蛛丝。

从“液晶纺丝液”到强韧丝线，这不就是制备高性能液晶弹性纤维的思路吗？

于是，受到自然界中蜘蛛液晶纺丝原理的启发，研究团队创造出一种连续、高速纺丝制备液晶弹性微纤维的新方法。

吕久安实验室制备的不同直径的人工肌肉微纤维

漏斗形状的挤出装置仿照蜘蛛体内流道特点设计。挤出的液晶弹性体纤维在滚轮的牵引下随之拉细，这一步骤仿照的则是蜘蛛吐出蛛丝后的那一下拉伸。

高速连续液晶纺丝示意图

伴随着拉伸，机械力会使液晶弹性纤维内部结构呈现一种有序排列的状态。

这样的制备方法不仅效率高（制造速度可达8400 m/h，超过已报道的最高制造速度~5000 m/h），而且条件温和，不需要高温高压，也不需要有毒的化学试剂。

高速连续液晶纺丝设备以及纺丝过程的局部放大图片

而且，通过研究团队的测试，制备出的液晶弹性纤维有很多优势：它可以快速形变，驱动应变速率高达810%/s，而已报道的最大应变速率为350%/s；强力学输出，驱动应力高达5.3MPa，远超过人类骨骼肌的驱动应力~ 0.3MPa；功率密度高达20440W/kg，而已报道的最大功率密度为~400 W/kg；频率响应高达50Hz，常规液晶弹性体响应频率 <1Hz；经测试，在25万次形变循环后，材料无明显疲劳，具有高机械可靠性。