蘇州納米所李清文團隊在大行程、快響應仿生驅動纖維研究方面取得新進展

  仿生人工肌肉纖維可在外部刺激如電壓、電流、溫度、壓力、光線、濕度等的作用下産生可逆的收縮、轉動等類生物肌肉形變響應,該材料在軟體機器人、假肢、外骨骼及溫度調節服等多方面有重要的應用前景。近些年,仿生人工肌肉纖維的發展備受關注,是智能材料領域研究熱點。電化學離子驅動Electrochemical ion pumping actuation)具有驅動电压低、无明显热效应、易于精确控制等优点。然而目前发展的仿生人工肌肉纖維结构与電化學離子驅動的匹配性较差,导致驅動量低、响应速度慢等问题。主要体现在,纖維的捻角由外到内逐渐减小,中间无撚度紗線起不到驅動效果;另一方面,纖維的加捻结构过于致密,不利于电解质离子的嵌入和脫出。 

  爲了解決上述問題,中科院蘇州納米所李清文團隊提出了一種高撚度貫穿的碳納米管(CNT纖維來提高電化學仿生肌肉纖維的驅動量和響應速率 

     1. 电化学驅動高捻贯穿人工肌肉紗線的驅動机理示意圖 

  與先前報道的螺旋CNT紗線肌肉不同從表面到中心,其撚角逐漸減小爲零,即使在肌肉紗線中心附近,组成紗線的CNT纖維仍保持高撚度(1b),這确保紗線整体均可産生有效的驅動。此外,在高撚度的紗線肌肉中實現了多級結構,多級孔道结构促進了離子的嵌入和脫出(1a,c,d)两者的协同作用,共同提高電化學驅動紗線肌肉的驅動性能。 

     2. a. 人工肌肉紗線的驅動量与电压之间的关系;b. 4股多級紗線肌肉的驅動量与电压之间的关系;c. 人工肌肉纖維的驅動量与注入电荷之间的关系;d. 循環穩定性 

  当以电化学方式驅動时,紗線肌産生超大的收缩3 V驅動电压下驅動量超60%,同時在短時間內舉起重物,性能優于文獻两种类型的紗線肌肉的电荷注入量与拉伸收缩之间的关系(圖2c)表明,在相同的注入電荷量下,四股高撚貫穿紗線肌肉産生的拉伸收缩比四股融合紗線肌肉高得多。这表明四股高撚貫穿紗線肌肉的結構可更加有效地将离子嵌入引起的体积变化转化为伸缩驅動。此外,收缩驅動量与施加电压呈线性相关(2a,b),可通过施加电压对人工肌肉紗線进行精确和可编程控制。紗線肌肉还显示出长期稳定性,在循環4500圈后,驅動保留率仍大于97%(2d) 

     3. 四股集束人工肌肉紗線 

  该团队进一步证实了多股人工肌肉纖維集束的可能性,多股紗線集束大大增加了力的输出,可提升更重的重物,并且驅動量没有明显的下降(圖3)。为了促进人工肌肉紗線的实际应用,该团队通过在碳纳米管纖維表面原位静电纺丝一层薄而多孔的聚丙烯腈纳米纖維作为隔膜及电解质层,成功制备了全固态紗線肌肉。该全固态人工肌肉可在空气中稳定的驅動,驅動量仍然达到18% 

  低驅動电压、可编程收缩驅動以及大驅動量输出可大大拓宽此类人工肌肉纖維的应用范围。此外,這种具有多孔道的高撚度结构设计同樣可適于制備由其他驅動方法驅動的新型紗線肌肉。 

  該研究成果以High-Twist-Pervaded Electrochemical Yarn Muscles with Ultralarge and Fast Contractile Actuations爲題發表在Materials Horizons上(DOI10.1039/D0MH01352H,文章鏈接https://doi.org/10.1039/D0MH01352H)。論文第一作者是中科院蘇州納米所博士生王玉蓮,通訊作者爲邸江濤研究員和李清文研究員。該工作得到了國家自然科學基金(21975281 2177329321603264)、國家重點研發計劃(2016YFA0203301)等科研項目的支持。 


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