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  近年來，能夠感知外界刺激并將外界能量（如電能、光能、熱能以及化學(xué)能等）轉(zhuǎn)換為彎曲、旋轉(zhuǎn)、收縮等機械運動的智能材料受到廣泛的研究關(guān)注。刺激響應(yīng)智能材料能夠廣泛應(yīng)用于人造肌肉、智能織物以及軟體機器人等諸多研究領(lǐng)域。在自然界中，對濕度和水份響應(yīng)的生物結(jié)構(gòu)有著重要的生物學(xué)功能：如當(dāng)環(huán)境濕度升高，松果將自動打開散播種子以及小麥將種子自動推進土壤等自然現(xiàn)象。受到自然界的啟發(fā)，很多濕度和水份響應(yīng)的彎曲型、旋轉(zhuǎn)型以及伸縮型驅(qū)動器近年來得到迅速的發(fā)展。雖然石墨烯、碳納米管以及合成聚合物等纖維材料已被報道用于制備纖維狀人造肌肉，但這些材料高昂的造價和復(fù)雜的工藝限制了它們的應(yīng)用。與此同時，很多天然產(chǎn)物，如殼聚糖、海藻酸鹽、孢子和纖維素等制備得到的驅(qū)動器，需要經(jīng)過生物質(zhì)提取并處理定型等額外步驟，也增加了制備的復(fù)雜性。

  針對以上問題，遼寧科技大學(xué)張志強教授團隊和德州大學(xué)達拉斯分校Ray H. Baughman院士課題組受到“藕斷絲連”的啟發(fā)，從自然界中儲量豐富的荷花桿中直接拉絲得到荷花纖維，并對荷花纖維進行簡單加捻的方式，制得高性能濕度和水份響應(yīng)的旋轉(zhuǎn)型以及伸縮型人造肌肉，并將其應(yīng)用于人造手臂和智能織物。相關(guān)成果以封面論文“Humidity- and Water-Responsive Torsional and Contractile Lotus Fiber Yarn Artificial Muscles”發(fā)表在ACS Applied Materials & Interfaces, DOI: 10.1021/acsami.0c20456。論文的第一作者為遼寧科技大學(xué)化工學(xué)院王月副教授。通訊作者為德州大學(xué)達拉斯分校的Ray H. Baughman院士和王重博士。

  荷花纖維由于其獨特的芳香性，柔軟性和透氣性，在古代就曾被廣泛應(yīng)用于織物。荷花纖維以螺旋盤繞的形式儲存在荷花桿中。從荷花桿切口拉出的荷花纖維呈現(xiàn)出直徑約為20微米的條帶狀，而每根條帶是由直徑約為2微米的單根纖維通過果膠等表面物質(zhì)結(jié)合而成 （圖1A， 1B）。荷花纖維結(jié)構(gòu)中含有豐富的纖維素，能夠很好的和水分子形成氫鍵，從而導(dǎo)致徑向的吸水膨脹。通過簡單加捻得到的扭曲結(jié)構(gòu) （圖1C， 1E） 以及螺旋結(jié)構(gòu) (圖 1D，1F) 能夠放大徑向的吸水膨脹作用，從而得到高效的旋轉(zhuǎn)運動和伸縮運動人造肌肉。

圖1. 荷花纖維以及加捻后扭曲結(jié)構(gòu)和螺旋結(jié)構(gòu)的形貌

  通過對加捻密度的優(yōu)化，旋轉(zhuǎn)型人造肌肉的最大旋轉(zhuǎn)沖程達到了200o/mm，并且最快轉(zhuǎn)速達到了200 rpm （圖2A，2B）。此外，在500次的循環(huán)吸水-脫水過程中，正向和逆向的旋轉(zhuǎn)運動基本保持一致， RSD%（n=500）分別為2.99%（正向）和2.35%（逆向），說明人造肌肉具有很好的循環(huán)穩(wěn)定性 (圖2C，2D)。考慮到在旋轉(zhuǎn)運動中的最大加速度為21 rad/s²，同時所施加的槳葉具有I = 1.2 × 10^?8 kg·m² 的轉(zhuǎn)動慣量（槳葉重量為肌肉自身重量的1937倍），旋轉(zhuǎn)型人造肌肉產(chǎn)生的相對力矩為488 mN·m/kg。

圖2. 扭曲結(jié)構(gòu)人造肌肉的旋轉(zhuǎn)運動表征

  圖3為伸縮型人工肌肉的性能數(shù)據(jù)。在人工肌肉的測試過程中，通過調(diào)節(jié)外加應(yīng)力，測得最大的收縮沖程為33%。當(dāng)外加應(yīng)力為20 MPa時，最大收縮做功為392 J/Kg （圖3A）。在濕度驅(qū)動實驗和水份驅(qū)動實驗中，人工肌肉的最大收縮沖程和收縮做功基本沒有差別。500次循環(huán)實驗表明該人工肌肉具有很好的循環(huán)穩(wěn)定性（RSD=1.37%）（圖3B，3C）。與其他濕度或水份驅(qū)動的人造肌肉比較，荷花纖維人造肌肉具有優(yōu)異的收縮沖程和收縮做功能力（圖3D）。

圖3. 螺旋結(jié)構(gòu)人造肌肉的伸縮運動表征

  當(dāng)把伸縮型荷花纖維人造肌肉集成到人造手臂（圖4A，4B）中，30毫米長的肌肉能夠在30秒內(nèi)將上臂和前臂間的角度縮小40°，并把2.6 MPa（3克）的重物拉高7.8毫米。當(dāng)將其集成到智能織物中（圖4C，4D），能夠在遇水2秒鐘內(nèi)將織物長度縮短65.7%。將這些人造肌肉應(yīng)用于根據(jù)個人出汗情況能夠自主調(diào)節(jié)孔隙率的智能織物在未來具有很大的前景。例如可以通過設(shè)計紡織結(jié)構(gòu)，當(dāng)肌肉纖維收縮時增大織物的孔隙率以增強汗液揮發(fā)（封面圖）。這些全新的性質(zhì)為荷花纖維這種古老的材料應(yīng)用于現(xiàn)代服裝帶來了全新的可能性。

圖4. 人造肌肉用于人造手臂和智能織物

  原文鏈接：https://doi.org/10.1021/acsami.0c20456