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杨倩成首位双金王 科研进展 苏州纳米(mi)所李(li)清(qing)文团队在大行(xing)程(cheng)、快...
科(ke)研进展(zhan)

苏州纳米所李清文团队在大行程、快响应仿生驱动纤维研究方面取得新进展

发布日期(qi):2019-11-09 浏(liu)览次数: 【关闭】

仿(fang)生(sheng)(sheng)人(ren)工肌(ji)(ji)肉(rou)纤维(wei)可在外部刺(ci)激如电(dian)压、电(dian)流(liu)、温度(du)、压力、光线、湿度(du)等(deng)的(de)作用下产(chan)生(sheng)(sheng)可逆(ni)的(de)收(shou)缩、转动(dong)(dong)等(deng)类(lei)生(sheng)(sheng)物肌(ji)(ji)肉(rou)形(xing)变响(xiang)应(ying),该(gai)材(cai)料(liao)在软体(ti)机器人(ren)、假(jia)肢、外骨骼(ge)及温度(du)调节服(fu)等(deng)多方面(mian)有(you)重(zhong)要的(de)应(ying)用前景。近些年,仿(fang)生(sheng)(sheng)人(ren)工肌(ji)(ji)肉(rou)纤维(wei)的(de)发(fa)展备受(shou)关注,是智能(neng)材(cai)料(liao)领域研(yan)究热点。电(dian)化(hua)学离子驱(qu)(qu)动(dong)(dong)(Electrochemical ion pumping actuation)具有(you)驱(qu)(qu)动(dong)(dong)电(dian)压低、无明显热效(xiao)(xiao)应(ying)、易于精确控(kong)制等(deng)优点。然而目前发(fa)展的(de)仿(fang)生(sheng)(sheng)人(ren)工肌(ji)(ji)肉(rou)纤维(wei)结构(gou)与电(dian)化(hua)学离子驱(qu)(qu)动(dong)(dong)的(de)匹配性较(jiao)差,导致驱(qu)(qu)动(dong)(dong)量低、响(xiang)应(ying)速(su)度(du)慢等(deng)问题。主要体(ti)现在,纤维(wei)的(de)捻(nian)角由外到内逐渐减小,中间(jian)无捻(nian)度(du)纱线起不到驱(qu)(qu)动(dong)(dong)效(xiao)(xiao)果;另一方面(mian),纤维(wei)的(de)加捻(nian)结构(gou)过于致密,不利(li)于电(dian)解质(zhi)离子的(de)嵌入和脱出。

为了解决上述问题,中科院苏州纳米所李清文团队提出了一种高捻度贯穿的碳纳米管(CNT)纤维来提高电化学仿生肌肉纤维的驱动量和响应速率。


图 1. 电化学驱(qu)动高捻贯穿(chuan)人工肌肉纱线(xian)的驱(qu)动机理(li)示意图

与(yu)先前报道的(de)螺旋CNT纱线(xian)(xian)肌肉(rou)(rou)不同(从表面到中心(xin),其(qi)捻(nian)角(jiao)逐(zhu)渐减小(xiao)为零),即使在(zai)肌肉(rou)(rou)纱线(xian)(xian)中心(xin)附近,组成(cheng)纱线(xian)(xian)的(de)CNT纤维仍保持(chi)高(gao)捻(nian)度(图(tu)1b),这确保纱线(xian)(xian)整(zheng)体均可产生有效的(de)驱动。此外,在(zai)高(gao)捻(nian)度的(de)纱线(xian)(xian)肌肉(rou)(rou)中实现了多级结构,多级孔道结构促进(jin)了离子(zi)的(de)嵌入和脱出(图(tu)1a,c,d)。两(liang)者的(de)协同作用,共(gong)同提高(gao)电化学驱动纱线(xian)(xian)肌肉(rou)(rou)的(de)驱动性能(neng)。

2. a. 人工肌肉纱线的驱动量与电压之间的关系;b. 4股多级纱线肌肉的驱动量与电压之间的关系;c. 人工肌肉纤维的驱动量与注入电荷之间的关系;d. 循环稳定性

当以(yi)电(dian)化(hua)学方式驱(qu)动(dong)(dong)时,纱线(xian)(xian)(xian)肌产生超(chao)大(da)的(de)收缩(suo)驱(qu)动(dong)(dong)(3 V驱(qu)动(dong)(dong)电(dian)压(ya)下驱(qu)动(dong)(dong)量超(chao)60%),同时在短时间(jian)内举起重物,其性能远优于文献值。两种类型的(de)纱线(xian)(xian)(xian)肌肉(rou)的(de)电(dian)荷注入量与拉伸(shen)收缩(suo)之间(jian)的(de)关系(xi)(图(tu)(tu)2c)表明(ming),在相同的(de)注入电(dian)荷量下,四股高捻贯穿(chuan)(chuan)纱线(xian)(xian)(xian)肌肉(rou)产生的(de)拉伸(shen)收缩(suo)比四股融合纱线(xian)(xian)(xian)肌肉(rou)高得多。这表明(ming)四股高捻贯穿(chuan)(chuan)纱线(xian)(xian)(xian)肌肉(rou)的(de)结构可更加有效地将离子嵌入引起的(de)体积变化(hua)转化(hua)为伸(shen)缩(suo)驱(qu)动(dong)(dong)。此(ci)外,收缩(suo)驱(qu)动(dong)(dong)量与施加电(dian)压(ya)呈线(xian)(xian)(xian)性相关(图(tu)(tu)2a,b),可通(tong)过施加电(dian)压(ya)对(dui)人工肌肉(rou)纱线(xian)(xian)(xian)进行(xing)精确和可编程控制。纱线(xian)(xian)(xian)肌肉(rou)还显示(shi)出长期稳(wen)定性,在循(xun)环4500圈后,驱(qu)动(dong)(dong)保留率仍大(da)于97%(图(tu)(tu)2d)。

图 3. 四(si)股集束人工肌(ji)肉纱(sha)线

该团(tuan)队进(jin)一步证实了(le)多(duo)股人(ren)(ren)工(gong)肌(ji)肉(rou)纤(xian)维集(ji)束(shu)(shu)的(de)可(ke)能性(xing),多(duo)股纱(sha)线(xian)(xian)集(ji)束(shu)(shu)大大增加(jia)了(le)力(li)的(de)输出,可(ke)提升更重的(de)重物(wu),并(bing)且驱动(dong)量没有明显的(de)下降(图3)。为了(le)促进(jin)人(ren)(ren)工(gong)肌(ji)肉(rou)纱(sha)线(xian)(xian)的(de)实际(ji)应用,该团(tuan)队通过在碳纳米管纤(xian)维表面原位静(jing)电(dian)纺丝一层薄而多(duo)孔的(de)聚丙烯(xi)腈(jing)纳米纤(xian)维作为隔膜及电(dian)解质(zhi)层,成(cheng)功制(zhi)备(bei)了(le)全固态纱(sha)线(xian)(xian)肌(ji)肉(rou)。该全固态人(ren)(ren)工(gong)肌(ji)肉(rou)可(ke)在空气中稳(wen)定(ding)的(de)驱动(dong),驱动(dong)量仍然(ran)达到18%。

低驱动电压、可编程收缩驱动以及大驱动量输出可大大拓宽此类人工肌肉纤维的应用范围。此外,这种具有多孔道的高捻度结构设计同样可适于制备由其他驱动方法驱动的新型纱线肌肉。

该研究成果以High-Twist-Pervaded Electrochemical Yarn Muscles with Ultralarge and Fast Contractile Actuations为题发表在Materials Horizons上(DOI:10.1039/D0MH01352H,文章链接http://doi.org/10.1039/D0MH01352H)。论文第一作者是中科院苏州纳米所博士生王玉莲,通讯作者为邸江涛研究员李清文研究员。该工作得到了国家自然科学基金(21975281, 21773293,21603264)、国家重点研发计划(2016YFA0203301)等科研项目的支持。

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