“四两拨千斤”：人工肌肉质料制备又有新解

 
 
“四两拨千斤”：人工肌肉质料制备又有新解  
 

气体以及热能触发“壳层驱动”人工肌肉纤维的制备流程，以及多种螺旋布局（受访者供图）

让一根捻好的“麻绳”自动解捻，能发生奈何的气力？

7月12日，美国得克萨斯州立大学达拉斯分校传授Ray Baughman 课题组与国际相助者在新一期《科学》杂志上刊文，提出了一种创新性的人工肌肉纤维制备要领——将活性质料作为壳层包围在载体纤维外部，从而更有效地提高人工肌肉纤维的机器功输出密度和速率。

此前，Baughman等人曾提出操作捻曲技能制备人工肌肉纤维，通过这种技能制备出的纤维可以旋转和伸缩。随后，南开大学、复旦大学、东华大学、中科院苏州纳米技能与纳米仿生研究所等机构的研究者先后在差异的质料体系中实现了基于该技能的人工肌肉纤维制备。

此次刊发的成就，则是Baughman团队对制备技能的又一次晋升。

“海底寻针”

人们在日常糊口中见到的纤维制品，大多颠末必然的加捻处理惩罚。假如将一根由多根纤维捻成的绳子搓开，绳子的直径会扩张变大。“直径偏向变粗，轴线偏向变短。假如这些纤维能自动退捻并规复，这一进程中就会产朝气械能。”论文第一作者、得克萨斯州立大学艾伦·G·麦克迪亚米德纳米中心成员穆九柯表明道。通过这个例子，可以劈头领略人工肌肉纤维的事情道理。

借助客体质料，实现纤维最洪流平地可规复性散开、退捻，需要找对驱动方法、选用符合的质料和高效的布局。一直以来，制备出高机能的人工肌肉纤维质料都是研究者但愿攻破的难关。而在差异应用场景下，将各异的驱动方法与质料举办匹配并找出最优解，无异于“海底寻针”。

人工肌肉纤维退捻有多种驱动方法，如气体驱动、热能驱动和电化学驱动。差异的方法发生的能量通报到纱线，从而使其产生体积变革。这一进程中，纱线的捻度变革是机器能发生的要害，而单根纤维的捻角和纱线的捻度有密切关联。别的，模仿肌肉举动的质料假如能做到更轻，那么降服自身质量耗损的能量就会大大淘汰，从而提高能量输出。

Ray Baughman课题组在恒久的摸索中发明：人工肌肉纤维的外层是提供机器能输出的主要部门，而纱线中心部门的纤维在机器能转换进程中孝敬甚少。

他们还发明，无论是气体发生的能量，照旧热能或电化学能，其传输到纱线内部所需时间较长，成为限制人工肌肉纤维响应速度的一大原因。

创新性布局

为了办理上述问题，课题组提出了一种全新布局模式——将原本填充在整个纤维中的活性客体质料会合放到纱线载体的外层，从而形成一种壳层布局。活性壳层质料在多种驱动方法的触发下发生体积膨胀，从而让人工肌肉纤维可规复性退捻、产朝气械能。

穆九柯汇报《中国科学报》，依据差异的触发方法，课题组选用了多种包罗聚合物和碳纳米管纤维在内的活性质料作为人工肌肉质料的壳层。

论文通讯作者Ray Baughman暗示：“选取符合的壳层厚度也很是重要，假如壳层太厚，内部的纱线会很难明捻，低落人工肌肉的机器能输出，假如太薄，内部芯层纱线的大幅度解捻会导致壳层质料开裂变形，进而影响人工肌肉的轮回不变性。”

另外，穆九柯等人在尝试时有了一个重要发明：制备壳层质料时，须保持其处于凝胶状态。“假如外部壳层质料太干，就会在加捻进程中碎裂，为了保持弹性，我们在质料中添加了一些可以或许保持弹性的溶剂。”穆九柯暗示。

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尝试功效显示，壳层驱动的人工肌肉质料无论是在气体驱动、热能驱动照旧电化学能驱动方法下，其在响应速度、输出功密度上都表示出较大的优势。

“在电化学触发条件下，回收壳层布局的人工肌肉纤维单元质量机器功率可达1.98 W/g，是人体肌肉的40倍以上。”课题组在文章中这样总结道。

本钱更低的解法

在此基本上，课题组又做了一件事——选取本钱更低的商用纤维替代碳纳米管纤维。

穆九柯汇报记者，碳纳米管纱线自己造价昂贵，相当一部门种类的单克价值可达几百美元。尝试功效证明，在沟通驱动条件下，回收壳层布局并利用商用纤维质料的人工肌肉，也表示出较高的机器能输出，可节省人工肌肉的制备本钱。

“这种利用价值低廉的贸易纤维代替碳纳米管纱线的新型人工肌肉制备技能，对付如呆板人以及自适体织物等智能布局质料的开拓规模具有很大的吸引力。”在接管媒体采访时，Baughman这样暗示。另外，该研究涂覆活性质料时回收的浸涂法，在家产中属于常见、成熟的要领。“这种简朴的聚合物涂覆要领为质料的大局限商用提供了大概”。

将来，课题组还将摸索其他可用作壳层质料的物质。“许多在外界刺激下产生体积变革的质料都可以作为壳层质料。”Baughman暗示。

“人工肌肉不只可以或许提供机器力的输出，还可以附带传感、反馈等成果，这也是我们将来的研究偏向之一。”穆九柯暗示。

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