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東華大學(xué)熊佳慶課題組 ACS Nano：全纖維驅(qū)動器實現(xiàn)環(huán)境監(jiān)護(hù)型智能口罩
2025-03-12  來源：高分子科技

  驅(qū)-感一體式智能變形材料在機(jī)械操控、信息采集、環(huán)境探測、智慧醫(yī)療和人-機(jī)-環(huán)境交互等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大應(yīng)用前景。這類材料開發(fā)的難點(diǎn)在于驅(qū)動狀態(tài)與感知信息的實時同步反饋，限制其復(fù)雜交互場景應(yīng)用。全纖維結(jié)構(gòu)智能變形材料具備微觀特征可調(diào)、高設(shè)計性和多功能集成等優(yōu)勢，有望解決這一難題。采用光電雙模響應(yīng)材料實現(xiàn)驅(qū)動變形、電學(xué)感知與變色顯示可突破單一電學(xué)傳感局限，有望呈現(xiàn)一種更直觀的人-機(jī)-環(huán)境交互方式。以此構(gòu)建一種集“感知-驅(qū)動-反饋”功能于一體的光電雙模纖維膜驅(qū)動器，賦予其環(huán)境適應(yīng)性驅(qū)動和光電雙重環(huán)境交互能力，有望促進(jìn)感知型軟體機(jī)器人和智能可穿戴裝備的探索和發(fā)展。


  近日，東華大學(xué)熊佳慶課題組以擬態(tài)章魚皮膚為靈感，開發(fā)了一種光電雙模纖維膜（TCTR）感知型驅(qū)動器，由光熱-濕氣協(xié)同響應(yīng)的熱致變色纖維層（TCL）和光熱響應(yīng)纖維層（TRL）構(gòu)成，實現(xiàn)環(huán)境熱-濕響應(yīng)同步“變形-變色-感知”功能。作者提出在微納結(jié)構(gòu)高取向纖維層間設(shè)計纖維互鎖過渡層的策略，實現(xiàn)高界面穩(wěn)定性的雙層結(jié)構(gòu)纖維膜驅(qū)動器，展示出色的機(jī)械韌性（17.9 MJ m-3）、光熱轉(zhuǎn)化效率（22.9 ℃ min-1）和顯著的顏色變化（暗紫紅色到亮淡黃色，明度變化~68）。這種濕度主導(dǎo)-光熱輔助響應(yīng)的全纖維驅(qū)動器表現(xiàn)出優(yōu)異的變形速率（0.67 cm-1 s-1）、雙向彎曲曲率（7.37 cm-1）和循環(huán)穩(wěn)定性；環(huán)境響應(yīng)驅(qū)動誘導(dǎo)的電學(xué)-視覺雙模傳感策略，通過材料宏微觀結(jié)構(gòu)差異化組裝，TCTR可感知觸覺刺激、呼吸狀態(tài)、環(huán)境溫濕度甚至空氣污染程度，在過濾材料、電子皮膚、智能監(jiān)護(hù)口罩和主動調(diào)溫織物等領(lǐng)域展現(xiàn)出多樣化應(yīng)用前景。



  相關(guān)研究以“Adaptive All-Fiber Actuator for Human-Environment Interaction”為題發(fā)表在《ACS Nano》期刊上。論文第一作者為東華大學(xué)博士后張雨凡，通訊作者為熊佳慶研究員。該研究得到國家自然科學(xué)基金等項目資助。


圖1 全纖維智能驅(qū)動器的設(shè)計靈感與功能


  受擬態(tài)章魚皮膚可產(chǎn)生環(huán)境自適應(yīng)性形變和同步變色行為的啟發(fā)，作者開發(fā)了一種集“感知-變形-變色”功能于一體的全纖維膜驅(qū)動器；谶B續(xù)靜電紡絲工藝，制備對濕氣和光熱產(chǎn)生差異化響應(yīng)的雙層結(jié)構(gòu)纖維膜（TCTR），通過高取向纖維排列和纖維互鎖過渡層策略，既提升了器件界面穩(wěn)定性，也保障了其綜合驅(qū)動性能，使得TCTR在力學(xué)性能、光熱-濕氣驅(qū)動響應(yīng)和多模感知能力方面均有優(yōu)異表現(xiàn)，展示了在雙向驅(qū)動、熱源感知、智能口罩和調(diào)溫織物等領(lǐng)域的多場景應(yīng)用（圖1）。


圖2 光熱響應(yīng)層TRL的制造策略與性能


  驅(qū)動器的光熱響應(yīng)層TRL由增強(qiáng)光熱吸收的MXene復(fù)合聚偏氟乙烯（PVDF）納米纖維構(gòu)成。基于高濕度氛圍（RH = 70±5%）紡絲誘導(dǎo)PVDF纖維發(fā)生相分離，形成的“微晶顆粒”富集式多級結(jié)構(gòu)可調(diào)控和提升纖維膜機(jī)械韌性與光熱性能，其斷裂應(yīng)力和應(yīng)變分別高達(dá)21.1 MPa和172%，最大比表面積可達(dá)13.6 m2 g-1，孔隙體積較光滑狀態(tài)提升1.76倍（圖2）。在100 mW cm-2紅外輻射下升溫速率達(dá)到22.9 °C min?1，這種增強(qiáng)的光熱響應(yīng)速率有助于促進(jìn)濕響應(yīng)層TCL的水汽逸出，增強(qiáng)光熱-濕氣雙向驅(qū)動。


圖3 濕氣響應(yīng)/溫度可視層TCL的制造策略與性能


  驅(qū)動器的濕度響應(yīng)/溫度可視層TCL由不同溫度變色響應(yīng)差異性熒烷染料（TC）嵌入聚環(huán)氧乙烷（PEO）納米纖維構(gòu)成，基于TC分子中心碳原子內(nèi)酯環(huán)在臨界溫度下的可逆開/閉環(huán)顯色機(jī)制，纖維層在26 °C到60 °C間可實現(xiàn)連續(xù)可逆的顏色變化。高取向結(jié)構(gòu)纖維層除具有更高的機(jī)械性能（斷裂韌性1.41 MJ m-3比隨機(jī)排列纖維樣品高出近兩倍），其光學(xué)變色靈敏度也得到提升，展示出從26 °C（暗紫紅色）到60 °C（亮淡黃色）的顯著顏色變化（明度變化高達(dá)68），可為人-機(jī)-環(huán)境交互過程提供可視化溫度信息（圖3）。


圖4 TCTR的光熱-濕氣驅(qū)動原理和性能


  TCL和TRL纖維層構(gòu)成了一種由濕氣主導(dǎo)-光熱輔助的全纖維驅(qū)動器TCTR，通過雙層纖維間吸濕性和熱膨脹差異實現(xiàn)可逆的雙向驅(qū)動變形。在高濕度下，親水性高比表面積的 TCL層迅速吸濕膨脹，而濕度不敏感的TRL層則體積變形相對小，這種差異化膨脹促使器件向TRL側(cè)彎曲。光熱作用下，TRL層快速升溫膨脹，并傳遞熱量給TCL層加速其濕氣逸出和體積收縮，從而放大器件非對稱體積變化，使其向TCL側(cè)反向彎曲，同時伴隨實時顏色變化以可視化環(huán)境溫度。通過優(yōu)化纖維多級結(jié)構(gòu)和取向排列，TCTR最佳雙向驅(qū)動曲率達(dá)到7.23 cm?1，響應(yīng)速率高達(dá)0.67 cm?1 s?1（圖4）。纖維互鎖過渡層顯著提升了TCTR的界面穩(wěn)定性和變形持久性，器件可耐受150個雙向驅(qū)動循環(huán)，驅(qū)動性能無明顯下降。


圖5 TCTR的智能穿戴應(yīng)用


  利用TCTR可設(shè)計多種動態(tài)智能織物和可穿戴設(shè)備。例如賦予織物從寒冷環(huán)境保暖到炎熱環(huán)境散熱的動態(tài)調(diào)溫，有望促進(jìn)人體微環(huán)境智能管控。此外，通過集成電極賦予TCTR形變觸發(fā)式摩擦電效應(yīng)，證實了一種環(huán)境監(jiān)護(hù)式智能口罩。通過在口罩中整合PA織物/含電極TCTR模塊，基于TCTR變形能力依賴于不同呼吸狀態(tài)（氣流與其溫濕度）、空氣質(zhì)量和環(huán)境溫度的原理，可觸發(fā)呼吸時TCTR/PA層間有效接觸面積差異，產(chǎn)生可區(qū)分的電學(xué)信號與變色效果，實現(xiàn)人體狀態(tài)和環(huán)境信息的實時感知，有望提升人體-環(huán)境交互舒適性和安全性（圖5）。


  通過纖維互鎖過渡界面設(shè)計增強(qiáng)多級結(jié)構(gòu)-高取向纖維膜的機(jī)械性能，作者開發(fā)了一種具備光熱-濕氣協(xié)同驅(qū)動和同步熱致變色功能的全纖維驅(qū)動器（TCTR），展示了器件對多種環(huán)境信息（觸覺、溫濕度、空氣污染和呼吸狀態(tài)）的主動感知功能，并驗證了其作為智能調(diào)溫織物和環(huán)境監(jiān)護(hù)型智能口罩的可行性。這項工作有望為先進(jìn)纖維材料開發(fā)提供策略參考，并為動態(tài)電子皮膚、微型軟體機(jī)器人和穿戴健康監(jiān)護(hù)裝備等領(lǐng)域發(fā)展提供啟發(fā)。


  文章信息：Y Zhang, T Zhang, Y Gu, M Fan, Y Zhang, S Wang, Y Xia,X Zhou, J Xiong*, Adaptive All-Fiber Actuator for Human–Environment Interaction, ACS Nano, 2025, https://doi.org/10.1021/acsnano.4c17638

  原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.4c17638


  課題組主頁：https://www.x-mol.com/groups/xiong_jiaqing

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