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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(jī)械運(yùn)動(dòng)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(jī)器人等諸多研究領(lǐng)域。在自然界中，對(duì)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(dòng)打開散播種子以及小麥將種子自動(dòng)推進(jìn)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(dòng)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(bào)道用于制備纖維狀人造肌肉，但這些材料高昂的造價(jià)和復(fù)雜的工藝限制了它們的應(yīng)用。與此同時(shí)，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(dòng)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(duì)以上問題，遼寧科技大學(xué)張志強(qiáng)教授團(tuán)隊(duì)和德州大學(xué)達(dá)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(chǔ)量豐富的荷花桿中直接拉絲得到荷花纖維，并對(duì)荷花纖維進(jìn)行簡(jiǎn)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(dá)拉斯分校的Ray H. Baughman院士和王重博士。

  荷花纖維由于其獨(dú)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(chǔ)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(jiǎn)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(yùn)動(dòng)和伸縮運(yùn)動(dòng)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(duì)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(dá)到了200o/mm，并且最快轉(zhuǎn)速達(dá)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(yùn)動(dòng)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)�？紤]到在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中的最大加速度為21 rad/s²，同時(shí)所施加的槳葉具有I = 1.2 × 10^?8 kg·m² 的轉(zhuǎn)動(dòng)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(duì)力矩為488 mN·m/kg。

圖2. 扭曲結(jié)構(gòu)人造肌肉的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)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(cè)試過程中，通過調(diào)節(jié)外加應(yīng)力，測(cè)得最大的收縮沖程為33%。當(dāng)外加應(yīng)力為20 MPa時(shí)，最大收縮做功為392 J/Kg （圖3A）。在濕度驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)和水份驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(dòng)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(yùn)動(dòng)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(zhǎng)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(zhǎng)度縮短65.7%。將這些人造肌肉應(yīng)用于根據(jù)個(gè)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(jì)紡織結(jié)構(gòu)，當(dāng)肌肉纖維收縮時(shí)增大織物的孔隙率以增強(qiáng)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