可用于智能織物及柔性機器人
南開新聞網(wǎng)訊(記者 吳軍輝)如果有件智能衣服，可以感知皮膚表面濕度，出汗時長袖變?yōu)槎绦?，汗干后又恢復如初，那將多么神奇。如今，這一設(shè)想已經(jīng)成為可能。南開大學藥物化學生物學國家重點實驗室劉遵峰教授團隊研獲了一種綠色環(huán)保的純蠶絲“人工肌肉”，可通過感知濕度實現(xiàn)自動伸縮。這種新型“人造肌肉”，不僅可以用于智能織物，在柔軟機器人研發(fā)領(lǐng)域也將大有可為。日前，介紹該成果的論文發(fā)表于材料領(lǐng)域國際權(quán)威期刊《先進功能材料》(Advanced Functional Materials)上。
如今，人們在智能紡織品的開發(fā)方面取得了不錯的進展，制造出來的紡織品具有能量儲存、自清潔、顏色變化、溫度和濕度調(diào)節(jié)等新型功能?！叭绻徔椘纺軌?qū)穸软憫?，通過調(diào)節(jié)宏觀形狀或孔隙率實現(xiàn)水分和熱量管理，將會為人們提供更多的舒適體驗。這一設(shè)想，引起了我們極大的興趣。”劉遵峰說。
將傳統(tǒng)紡織技術(shù)和纖維型“人工肌肉”相結(jié)合是獲得智能紡織品的方法之一。研究人員介紹，雖然碳納米管、石墨烯、聚乙烯、尼龍等纖維材料已被報道用于制備“人工肌肉”纖維，但這些材料很難用作調(diào)節(jié)濕度和體溫的智能紡織品。因為，這些材料具有造價昂貴、工藝復雜、舒適性差等缺點。
“然而，蠶絲用作衣物已經(jīng)有上千年的歷史，它穿著舒適，是一種重要的紡織原料。我們調(diào)查發(fā)現(xiàn)，目前還沒有利用天然纖維制成‘人工肌肉’并用于智能織物領(lǐng)域的報道?！眲⒆穹逭f。
蠶絲“人工肌肉”纖維制備流程示意圖
劉遵峰團隊利用天然純蠶絲制備了一種新型的“人工肌肉”纖維，不使用化學修飾和添加劑，通過脫膠、加捻、合股、熱定型等常規(guī)工業(yè)流程制作獲得。蠶絲“人工肌肉”在水霧和濕度驅(qū)動下實現(xiàn)了扭轉(zhuǎn)、拉伸和收縮致動。為了不需要外界固定就能實現(xiàn)可逆驅(qū)動，劉遵峰團隊開發(fā)了一種扭矩平衡的纖維結(jié)構(gòu)，通過將扭曲的纖維對折、合股，使得蠶絲纖維實現(xiàn)了自平衡。
當暴露在水霧中時，扭轉(zhuǎn)人工肌肉纖維實現(xiàn)了547o mm-1的完全可逆扭轉(zhuǎn)行程，非常接近于濕度驅(qū)動的扭轉(zhuǎn)石墨烯纖維(588.6o mm-1)。當相對濕度從20%變?yōu)?0%時，蠶絲伸縮肌肉的收縮率為70%?！斑@種優(yōu)異的致動性是因為蠶絲纖維吸水后誘導蛋白內(nèi)氫鍵的損失和相關(guān)的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化，并且通過分子動力學模擬、X射線衍射和宏觀表征得到證實。”劉遵峰說。
濕度增加后，蠶絲“人工肌肉”纖維編織的玩偶上衣衣袖縮短至一半，濕度降低后復原
記者在該實驗室看到，研究人員用蠶絲伸縮肌肉編織了一件玩偶大小的智能上衣，實現(xiàn)了環(huán)境濕度增加時(例如，由于汗水或潮濕環(huán)境)，智能上衣的衣袖長度收縮至原長度的一半；濕度下降時又恢復如初。這種水分敏感的紡織品，可以通過改變宏觀形狀非常有效地實現(xiàn)水分和熱量的管理功能。
“由于蠶絲應用廣泛且具有優(yōu)異的穿戴舒適性，蠶絲‘人工肌肉’的制作流程符合當前工業(yè)化程序，不需要化學修飾和額外的添加劑，我們預計它將在工業(yè)應用中開辟更多的可能性，例如智能紡織品和柔性機器人?！?/font>
據(jù)悉，該研究受國家自然科學基金、天津市自然科學基金、南開大學相關(guān)計劃資助。南開大學藥物化學生物學國家重點實驗室為論文《Moisture Sensitive Smart Yarns and Textiles from Self-Balanced Silk Fiber Muscles》(《濕度敏感的自平衡蠶絲人工肌肉及智能織物》)第一單位，劉遵峰教授為通訊作者，南開大學藥學院2016級碩士研究生賈天嬌為第一作者。
論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201808241
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