液晶彈性體彈簧振子的周期性光驅振動行為及機理

李 凱，胡少飛，杜長慎

（安徽建筑大學 土木工程學院，安徽 合肥 230601）

液晶彈性體（LCE）是一種由液晶單體和交聯分子聚合形成的網絡結構材料［1］。這種材料在熱［2］、電場［3］、光［4，5］、磁場［6］或者化學物質［7］等信號的刺激下會發生變形，例如收縮［8］。這種刺激響應特性與肌肉遇到神經細胞信號時發生收縮非常相似。并且，LCE 具有響應快速、變形可完全恢復等優良特性，因而廣泛應用于人工肌肉［9］、MEMS［10］、傳感器［11］、能量采集器［12］、可拉伸光學器件［13］等領域。

在光驅動方面，LCE 的光驅動振動可以將光能轉化為機械能，并用于軟體機器人、微型工廠和納米機器，而不需要傳統的電動機驅動［14］。例如，紫外光［15］可誘導偶氮苯分子由反式變為順式，并使LCE［16］發生較大變形。Finkelmann 等［17］合成了含偶氮苯分子的LCE，其光誘導收縮應變接近20%。White 等［18］實驗研究了光敏液晶聚合物懸臂梁的振動，實現了激光作用下高頻大振幅的振動。Torras 等［19］制備了含有碳納米管的光致柱狀彈性體懸臂梁，并研究了其彎曲動態響應。Li 等［20］基于LCE 動態模型建立LCE 懸臂梁動力學模型，理論研究了靜態光源誘導的LCE 懸臂梁的自激彎曲振動。

有實驗報道了一種超薄光響應LCE 纖維執行器，可以通過吸收環境中的光能補償阻尼消耗的能量，在周期性光照下持續振動［21］。該實驗表明，LCE 纖維的振動頻率不僅取決于其本身的物理參數，還與外界周期性光照有關，且振幅隨光照強度的增大而增大。該實驗現象已被詳細研究，但對此實驗的理論分析還不夠深入。

為了探討周期性光照下LCE 彈簧振子的振動機理和行為，本文基于LCE 動力學模型，建立了LCE 彈簧振子的動力學模型，推導振子振動的控制方程，并數值求解振動的時程曲線。……