“四兩撥千斤”:人工肌肉纖維制備有新招

作者 | 任芳言

讓一根捻好的“麻繩”自動解捻,能產生怎樣的力量?

7月12日,美國得克薩斯州立大學達拉斯分校教授Ray Baughman課題組與中國武漢大學等機構合作者在新一期《科學》上刊文,提出瞭一種創新性的人工肌肉纖維制備方法——將活性材料作為殼層覆蓋在載體纖維外部,從而更有效地提高人工肌肉纖維的機械功輸出密度和速率。

此前,Baughman等人曾提出利用捻曲技術制備人工肌肉纖維,通過這種技術制備出的纖維可以旋轉和伸縮。

隨後,南開大學、復旦大學、東華大學、中科院蘇州納米技術與納米仿生研究所等機構的研究者先後在不同的材料體系中實現瞭基於該技術的人工肌肉纖維制備。

此次刊發的成果,是Baughman等團隊對制備技術的又一次提升。

“海底尋針”

人們在日常生活中見到的纖維成品,大多經過一定的加捻處理。如果將一根由多根纖維捻成的繩子搓開,繩子的直徑會擴張變大。

“直徑方向變粗,軸線方向變短。如果這些纖維能自動退捻並恢復,這一過程就會產生機械能。”論文第一作者、得克薩斯州立大學艾倫·G·麥克迪亞米德納米中心成員穆九柯解釋道。

通過這個例子,可以初步理解人工肌肉纖維的工作原理。

借助客體材料,實現纖維最大程度地可恢復性散開、退捻,需要找對驅動方式、選用合適的材料和高效的結構。一直以來,制備出高性能的人工肌肉纖維材料都是研究者希望攻破的難關。

而在不同應用場景下,將各異的驅動方式與材料進行匹配並找出最優解,無異於“海底尋針”。

人工肌肉纖維退捻有多種驅動方式,如氣體驅動、熱能驅動和電化學驅動。不同的方式產生的能量傳遞到紗線,從而使其發生體積變化。

在這一過程中,紗線的捻度變化是機械能產生的關鍵,而單根纖維的捻角和紗線的捻度有密切關聯。

另外,模擬肌肉運動的材料如果能做到更輕,那麼克服自身質量消耗的能量就會大大減少,從而提高能量輸出。

Baughman課題組在長期的探索中發現,人工肌肉纖維的外層是提供機械能輸出的主要部分,而紗線中心部分的纖維在機械能轉換過程中貢獻甚少。

他們還發現,無論是氣體產生的能量,還是熱能或電化學能,其傳輸到紗線內部所需時間較長,成為限制人工肌肉纖維響應速度的一大原因。

創新性結構

為瞭解決上述問題,課題組提出瞭一種全新結構模式——將原本填充在整個纖維中的活性客體材料集中放到紗線載體的外層,從而形成一種殼層結構。

活性殼層材料在多種驅動方式的觸發下產生體積膨脹,從而讓人工肌肉纖維可恢復性退捻、產生機械能。

穆九柯告訴《中國科學報》,依據不同的觸發方式,課題組選用瞭多種包括聚合物和碳納米管纖維在內的活性材料作為人工肌肉材料的殼層。

Baughman表示:“選取合適的殼層厚度也非常重要,如果殼層太厚,內部的紗線會很難解捻,降低人工肌肉的機械能輸出,如果太薄,內部芯層紗線的大幅度解捻會導致殼層材料開裂變形,進而影響人工肌肉的循環穩定性。”

此外,穆九柯等人在實驗時有瞭一個重要發現:制備殼層材料時,須保持其處於凝膠狀態。“如果外部殼層材料太幹,就會在加捻過程中碎裂,為瞭保持彈性,我們在材料中添加瞭一些能夠保持彈性的溶劑。”穆九柯表示。

實驗結果顯示,殼層驅動的人工肌肉材料無論是在氣體驅動、熱能驅動還是電化學能驅動方式下,其在響應速度、輸出功密度上都表現出較大的優勢。

“在電化學觸發條件下,采用殼層結構的人工肌肉纖維單位質量機械功率可達1.98 W/g,是人體肌肉的40倍以上。”課題組在文章中這樣總結。

成本更低的解法

在此基礎上,課題組又做瞭一件事——選取成本更低的商用纖維替代碳納米管纖維。

穆九柯告訴記者,碳納米管紗線本身造價昂貴,相當一部分種類的單克價格可達幾百美元。

實驗結果證明,在相同驅動條件下,采用殼層結構並使用商用纖維材料的人工肌肉,也表現出較高的機械能輸出,可節約人工肌肉的制備成本。

“這種使用價格低廉的商業纖維取代碳納米管紗線的新型人工肌肉制備技術,在機器人以及自適體織物等智能結構材料的開發領域具有很大的吸引力。”Baughman表示。此外,該研究塗覆活性材料時采用的浸塗法,在工業中屬於常見、成熟的方法,為材料的大規模商用提供瞭可能。

未來,課題組還將探索其他可用作殼層材料的物質。“很多在外界刺激下發生體積變化的材料都可以作為殼層材料。”Baughman說。

“人工肌肉不僅能夠提供機械力的輸出,還可以附帶傳感、反饋等功能,這也是我們未來的研究方向之一。”穆九柯表示。

相關論文信息:

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