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東華大學王宏志教授課題組 Adv. Mater.：可在空氣中操控的電致變色人工肌肉纖維
2023-11-08  來源：高分子科技
  自然界中的許多生物，包括章魚、墨魚、安第斯雨蛙等，它們不僅能像變色龍一樣快速適應周圍環(huán)境的顏色，而且能可逆地改變自身的紋理或姿勢以適應環(huán)境，從而表現(xiàn)出更加復雜的姿態(tài)、偽裝能力。人造肌肉被認為是這些生物體能夠?qū)崿F(xiàn)其紋理或姿勢可逆變化的方式之一，可以模仿生命系統(tǒng)的復雜運動，與真實肌肉相比提供更高的輸出能量。然而，電化學離子注入驅(qū)動的人造肌肉存在致動特性單一、難以在空氣中穩(wěn)定運行的問題，阻礙了其未來發(fā)展。受人體肌肉的運動機理啟發(fā)（圖1），東華大學王宏志課題組基于前期在氧化鎢納米線（W18O49 NWs）、氧化釩納米線（V2O5 NWs）電致變色致動器上的工作積累。選用碳管紗線（CNTF）作為導電核層材料，具有較高長徑比的V2O5 NWs作為鞘層活性材料，構(gòu)筑V2O5 NWs/CNTF核鞘結(jié)構(gòu)多功能紗線。利用濕法纏繞、濕法加捻，構(gòu)筑得到具有致動變色雙響應的多功能纖維（圖2a-b）。+4 V電壓驅(qū)動下，螺旋結(jié)構(gòu)電致變色人工肌肉纖維最大收縮幅度可達到17.9%，顏色可以在黃色-黃綠色-藍灰色之間可逆轉(zhuǎn)變，反射率對比度高達53.9%，顯示出良好的致動和變色性能（圖2b，人工肌肉變色驅(qū)動機理）。


圖1. 人體肌肉的驅(qū)動機理示意圖。 


圖2. V2O5 NWs/SWCNTs核鞘多功能紗線的制備及變色變形雙響應機理。


  為了構(gòu)筑可以在空氣中穩(wěn)定運行的電致變色人工肌肉（EAM），創(chuàng)新性地提出了熱澆筑快速冷卻的電解質(zhì)成型方法（圖3a），在特定電壓刺激下，EAM可以在空氣中穩(wěn)定運行，并發(fā)生較大的收縮變形（收縮形變12%）和可逆的顏色變化（反射率對比度變化為50.1%）。此外，進行器件結(jié)構(gòu)的可編程設(shè)計，獲得了具有不同顏色組合的EAM（圖3f-i，圖4）。 


圖3. EAM 的多功能性能和結(jié)構(gòu)設(shè)計。可在空氣中操控的電致變色人工肌肉器件結(jié)構(gòu)示意圖及多功能可編程設(shè)計示意圖。 


  圖4. 單根電致變色人工肌肉紗線驅(qū)動單根電致變色人工肌肉紗線演示視頻；單根碳管紗線驅(qū)動多根電致變色人工肌肉紗線演示視頻。


  基于COMSOL、ABAQUS軟件的模擬結(jié)果（圖5a-b），構(gòu)筑了環(huán)形排布結(jié)構(gòu)的EAM，該器件在空氣中具有力學輸出大、響應速度快等優(yōu)點。利用環(huán)形排布結(jié)構(gòu)的EAM構(gòu)建了人工假肢外骨骼，在電化學驅(qū)動下，可同時發(fā)生致動和可逆的顏色變化（圖5c，圖6）。 


圖5. 不同排布方式的電致變色人工肌肉的力學電學模擬；環(huán)形排布的電致變色人工肌肉被應用于人工假肢外骨骼的性能表征及演示實驗。  


 圖6. 環(huán)形排布的電致變色人工肌肉被應用于人工假肢外骨骼的演示視頻。


  相關(guān)工作以“Air-Working Electrochromic Artificial Muscles”為題發(fā)表在Advanced Materials（DOI: 10.1002/adma.202305914）上，東華大學博士生凌勇為第一作者，李克睿研究員、李耀剛教授、王宏志教授為論文共同通訊作者。


  原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202305914

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（責任編輯：xu）
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