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得克薩斯大學(xué)達(dá)拉斯分校 Ray H. Baughman 院士團(tuán)隊(duì) Science：無(wú)芯軸制備大彈簧因子人工肌肉
2025-03-10  來(lái)源：高分子科技

  扭曲和螺旋聚合物纖維已被證明是一種制造人造肌肉的簡(jiǎn)單方法。先前的自螺旋方法僅限于制備低彈簧指數(shù)的肌肉。若制備大彈簧因子肌肉或者紗線，必須將纖維纏繞在芯軸上。然而芯軸隨后需要被移除，從而產(chǎn)生多余的廢料，極大增大了制備難度和成本且限制了工業(yè)化生產(chǎn)。該無(wú)芯軸制備大彈簧因子肌肉的方法，打破了這一困局，在無(wú)需芯軸的條件下實(shí)現(xiàn)彈簧因子可調(diào)可控，極大降低生產(chǎn)成本，為大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化人工肌肉提供了高效經(jīng)濟(jì)的新方法。



  近期，美國(guó)得克薩斯大學(xué)達(dá)拉斯分校（The University of Texas at Dallas）納米科技研究所（NanoTech Institute）Ray H. Baughman院士，Shaoli Fang教授和Mengmeng Zhang研究員帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一種無(wú)芯軸制備大彈簧因子（spring index）螺旋聚合物人工肌肉的方法。彈簧因子是人工肌肉的螺旋結(jié)構(gòu)直徑與纖維直徑的比率。大彈簧因子人工肌肉可以提供大的肌肉收縮行程和較高的肌肉制動(dòng)力。該人工肌肉彈簧因子可高達(dá)50，并且制動(dòng)收縮行程超過(guò)97%。該制備方法可通過(guò)調(diào)節(jié)多股結(jié)構(gòu)加捻密度實(shí)現(xiàn)肌肉纖維以及單根肌肉纖維長(zhǎng)度方向彈簧因子的可變控制，并且可以實(shí)現(xiàn)人工肌肉在加熱或冷卻過(guò)程中同手性和異手性的可逆轉(zhuǎn)換。這些大彈簧因子人工肌肉可用于機(jī)器人領(lǐng)域以及環(huán)境驅(qū)動(dòng)的熱絕緣能力動(dòng)態(tài)可調(diào)的智能衣服。該無(wú)芯軸方法對(duì)各類纖維或者紗線具備普適性。該團(tuán)隊(duì)利用無(wú)芯軸方法制備出大彈簧因子的碳納米管紗線，并應(yīng)用于機(jī)械能回收，自供電拉伸傳感器，以及溶劑驅(qū)動(dòng)和電化學(xué)驅(qū)動(dòng)納米人工肌肉的領(lǐng)域中。


圖1. 大彈簧因子聚合物螺旋人工肌肉的制備。


圖2. 大彈簧因子碳納米管紗線的制備以及其自發(fā)電應(yīng)變傳感器和人工肌肉應(yīng)用。


圖3. 大彈簧因子聚合物人工肌肉的性能。


圖4. 大彈簧因子人工肌肉的多樣化應(yīng)用。


  該項(xiàng)工作顛覆了當(dāng)前對(duì)必須依靠芯軸才可制備具有大彈簧因子人工肌肉的認(rèn)知，為大規(guī)模高效經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)化大彈簧因子人工肌肉提供了新方法。同時(shí)，單根肌肉纖維長(zhǎng)度方向彈簧因子可調(diào)為實(shí)現(xiàn)機(jī)器人復(fù)雜運(yùn)動(dòng)和開(kāi)發(fā)新的運(yùn)動(dòng)模式提供了新的設(shè)計(jì)思路。該工作以“Mandrel-free fabrication of giant spring-index and stroke muscles for diverse applications”為題發(fā)表在《Science》上（Science 387, 1101-1108, 2025）。Mengmeng Zhang研究員是文章的第一作者，Shaoli Fang 教授和Ray H. Baughman院士是文章的通訊作者。該無(wú)芯軸人工肌肉制備技術(shù)及相關(guān)機(jī)器人和智能織物應(yīng)用已經(jīng)申請(qǐng)美國(guó)專利。該文章入選當(dāng)期Science期刊亮點(diǎn)文章，同期發(fā)表在《Science》長(zhǎng)評(píng)論文章“Ply for a large stroke”（Science 387, 1038-1039, 2025）對(duì)該團(tuán)隊(duì)的研究成果進(jìn)行了專題總結(jié)和未來(lái)展望。


  總結(jié)：大彈簧因子人工肌肉可用于制備基于環(huán)境溫度變化熱絕緣能力動(dòng)態(tài)可調(diào)的智能織物；谠搱F(tuán)隊(duì)之前研發(fā)的芯軸卷曲技術(shù)，其技術(shù)授權(quán)方已與Ralph Lauren合作，成功商業(yè)化該智能織物，以此制備的舒適度可調(diào)羽絨服能夠根據(jù)環(huán)境溫度變化自動(dòng)調(diào)節(jié)厚度，并被指定為2022北京冬奧會(huì)美國(guó)代表隊(duì)的官方隊(duì)服。該工作是Ray H. Baughman院士研究團(tuán)隊(duì)近年來(lái)在纖維人工肌肉和纖維能量收集器等研究領(lǐng)域的又一重要進(jìn)展。此外，憑借纖維多股結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)，該團(tuán)隊(duì)在2023年報(bào)道了由Ray Baughman院士和Mengmeng Zhang研究員主導(dǎo)的多股碳納米管紗線高效機(jī)械能能量回收器的研究，相關(guān)工作發(fā)表在《Nature Energy》(Nature Energy 8, 203-213, 2023)。一直以來(lái)，美國(guó)得克薩斯大學(xué)達(dá)拉斯分校納米科技研究所聚焦人工肌肉，機(jī)械能回收，新型材料合成，光電力轉(zhuǎn)換，材料力學(xué)增強(qiáng)，能源存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)化等熱點(diǎn)研究領(lǐng)域，在《Science》和《Nature》等國(guó)際頂級(jí)期刊上發(fā)表了一系列重要研究進(jìn)展。


  原文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adr6708


  下載:Mandrel-free fabrication of giant spring-index and stroke muscles for diverse applications

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（責(zé)任編輯：xu）
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