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  纖維基人工肌肉作為一種結(jié)構(gòu)簡單、高靈敏性的柔性驅(qū)動器，在軟體機器人、智能系統(tǒng)等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。但目前纖維基人工肌肉的低維度單一形變、碳基原材料或化合物的復(fù)雜制備及其化學(xué)毒性、苛刻的驅(qū)動條件等問題，制約了其進一步發(fā)展和應(yīng)用。因此，迫切需要一種基于大宗纖維材料、結(jié)構(gòu)尺度可擴展、驅(qū)動條件溫和的高敏響應(yīng)的人工肌肉驅(qū)動器，從而為纖維基人工肌肉在智能紡織品和柔性智能系統(tǒng)應(yīng)用開辟新的視角。

  鑒于此，江南大學(xué)高衛(wèi)東教授團隊提出了一種基于纖維體及其分級結(jié)果的跨尺度處理策略，通過巧妙的結(jié)構(gòu)設(shè)計將普通粘膠纖維設(shè)計為具有快速響應(yīng)的濕驅(qū)動紗線人工肌肉，實現(xiàn)了高達(dá)2100 rpm的最大旋轉(zhuǎn)速度和1752°cm^-1的最大扭轉(zhuǎn)沖程。在此基礎(chǔ)上，通過拓?fù)渚幙椊Y(jié)構(gòu)將紗線人工肌肉擴展為二維的織物人工肌肉，克服了紗線人工肌肉低維的單一變形問題，實現(xiàn)了卷曲、螺旋、彎曲、扭轉(zhuǎn)等多種形式的致動效果。這種織物人工肌肉為纖維基人工肌肉開辟了新的發(fā)展空間，其機構(gòu)簡單性、多功能性和低成本等優(yōu)勢可實現(xiàn)在智能紡織品、軟體機器人等工程領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。相關(guān)成果以標(biāo)題為“Hierarchically structured and Scalable Artificial Muscles for Smart Textiles”發(fā)表在ACS Applied Materials & Interfaces。江南大學(xué)生態(tài)紡織教育部重點實驗室碩士研究生彭陽陽為論文第一作者，孫豐鑫副研究員為論文通訊作者。

摘要圖：通過纖維聚集態(tài)結(jié)構(gòu)、纖維螺旋形態(tài)和織物拓?fù)渚幙椊Y(jié)構(gòu)的構(gòu)建，實現(xiàn)濕響應(yīng)的智能紡織品研發(fā)。

圖1. 跨尺度結(jié)構(gòu)及纖維基人工肌肉的構(gòu)建方法

圖2. 紗線人工肌肉結(jié)構(gòu)及物理性能表征。

  該研究通過設(shè)計粘膠纖維的熱牽伸實驗誘導(dǎo)粘膠纖維的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)再取向，然后利用紡織加工技術(shù)將牽伸處理的纖維加強捻、并合與自回復(fù)加工，從而實現(xiàn)自平衡的雙螺旋結(jié)構(gòu)的紗線人工肌肉制備，如圖1所示。進一步地，一維的紗線人工肌肉可以通過織造技術(shù)拓?fù)涞卦O(shè)計為二維織物人工肌肉。圖2（a-b）顯示了紗線人工肌肉的自平衡結(jié)構(gòu)和纖維干態(tài)和濕態(tài)的微結(jié)構(gòu)特征。如圖2（c-f）所示，經(jīng)過熱牽伸處理的粘膠紗線人工肌肉的旋轉(zhuǎn)速度和最大轉(zhuǎn)動沖程均具有近兩倍的提高，而且體現(xiàn)了較好的循環(huán)驅(qū)動效果，50次循環(huán)實驗后性能基本保持不變。另一方面，熱牽伸提高了纖維的斷裂強度，但保持了紗線人工肌肉的力學(xué)性能的穩(wěn)定性。

圖3. 紗線人工肌肉驅(qū)動機理及其跨尺度結(jié)構(gòu)的物理解釋。

  研究表明，熱應(yīng)力牽伸處理誘導(dǎo)粘膠纖維β-折疊鏈納米晶和無定形大分子鏈進一步取向；當(dāng)水分子打開纖維聚集態(tài)結(jié)構(gòu)氫鍵，誘導(dǎo)釋放非穩(wěn)態(tài)應(yīng)力，納米晶和無定形大分子鏈松弛；當(dāng)纖維重新干燥后，由于高密度未被打開的氫鍵區(qū)的存在，使納米微晶和大分子鏈重新取向。如圖3，方位角衍射圖譜和相對取向因子計算結(jié)果進一步驗證了這個變化過程。此外，小角衍射結(jié)果表明牽伸后纖維的微原纖結(jié)構(gòu)曲線排列更加緊密，也提高了纖維的吸濕膨脹性。幾何結(jié)構(gòu)研究進一步表明纖維各向異性維度變化（長度吸濕縮短、直徑吸濕膨脹）對紗線人工肌肉扭轉(zhuǎn)驅(qū)動的細(xì)觀作用機制，基于能量方法探明了纖維退捻扭轉(zhuǎn)能與紗線人工肌肉扭轉(zhuǎn)能的正比例關(guān)系。

圖4. 可擴展的織物人工肌肉及其驅(qū)動性能。

圖5. 織物人工肌肉應(yīng)用于濕響應(yīng)智能紡織品。

  研究通過織物結(jié)構(gòu)拓?fù)湓O(shè)計，將紗線人工肌肉進一步擴展為織物人工肌肉，并借助不同的剪裁方式，實現(xiàn)了織物人工肌肉不同的濕態(tài)驅(qū)動變形效果，見圖4和圖5所示。而且織物肌肉展現(xiàn)了較高的比應(yīng)力，峰值彎曲作用力可達(dá)自身重力的25倍。織物人工肌肉可以實現(xiàn)熱濕管理織物的開發(fā)，當(dāng)人體在氣溫較高出汗時，織物人工肌肉紡制的衣袖可以自動卷起以便人體熱濕散失，天氣涼爽時，在無汗液的干態(tài)皮膚表面，織物舒展開以保暖。此外，這類智能織物還可以用于智能調(diào)溫和調(diào)光的溫室大棚的遮陽簾。

  研究者從纖維材料微觀結(jié)構(gòu)重構(gòu)、紗線細(xì)觀螺旋形態(tài)構(gòu)建和織物拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計三個維度，設(shè)計了一種高靈敏、尺寸可擴展的濕驅(qū)動人工肌肉致動器。實現(xiàn)了二維的織物人工肌肉的制備，可實現(xiàn)多樣性的空間驅(qū)動變形。該項研究為纖維基人工肌肉的開發(fā)應(yīng)用提供了新的思路，在智能紡織品等領(lǐng)域具有可觀的應(yīng)用前景。

  論文鏈接：https://doi.org/10.1021/acsami.1c16323