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极限挑战宝藏行 科研进展 苏(su)州纳米所(suo)李清文团(tuan)队在大行程、快...
科研进展

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:2019-11-09 浏览次数(shu): 【关闭】

仿(fang)生(sheng)人(ren)工(gong)肌肉(rou)纤(xian)维可在外(wai)部刺(ci)激(ji)如电压(ya)、电流、温(wen)度(du)(du)、压(ya)力、光线(xian)、湿度(du)(du)等(deng)的(de)(de)(de)(de)作(zuo)用下产(chan)生(sheng)可逆的(de)(de)(de)(de)收缩、转动等(deng)类生(sheng)物(wu)肌肉(rou)形(xing)变响(xiang)应,该材料(liao)在软体机器(qi)人(ren)、假肢、外(wai)骨(gu)骼及温(wen)度(du)(du)调节服等(deng)多方(fang)面有(you)重要(yao)的(de)(de)(de)(de)应用前景。近些年,仿(fang)生(sheng)人(ren)工(gong)肌肉(rou)纤(xian)维的(de)(de)(de)(de)发(fa)展备(bei)受关注,是智能材料(liao)领(ling)域研(yan)究热(re)点。电化(hua)学离(li)(li)子(zi)(zi)驱(qu)动(Electrochemical ion pumping actuation)具有(you)驱(qu)动电压(ya)低(di)、无(wu)(wu)明显热(re)效应、易于精确控制等(deng)优点。然而(er)目前发(fa)展的(de)(de)(de)(de)仿(fang)生(sheng)人(ren)工(gong)肌肉(rou)纤(xian)维结构(gou)与电化(hua)学离(li)(li)子(zi)(zi)驱(qu)动的(de)(de)(de)(de)匹(pi)配(pei)性较(jiao)差,导致驱(qu)动量低(di)、响(xiang)应速度(du)(du)慢等(deng)问题。主(zhu)要(yao)体现(xian)在,纤(xian)维的(de)(de)(de)(de)捻(nian)角由外(wai)到内逐(zhu)渐减小(xiao),中间无(wu)(wu)捻(nian)度(du)(du)纱线(xian)起不到驱(qu)动效果;另一方(fang)面,纤(xian)维的(de)(de)(de)(de)加捻(nian)结构(gou)过于致密,不利于电解质离(li)(li)子(zi)(zi)的(de)(de)(de)(de)嵌入(ru)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. 电化学驱动高捻贯穿人工肌(ji)肉(rou)纱线的驱动机理(li)示意图

与先(xian)前报道(dao)的(de)螺(luo)旋CNT纱(sha)线(xian)(xian)肌肉(rou)不同(从表面到中(zhong)心,其捻角逐渐减(jian)小为零(ling)),即使在(zai)肌肉(rou)纱(sha)线(xian)(xian)中(zhong)心附近,组成纱(sha)线(xian)(xian)的(de)CNT纤维仍保持(chi)高(gao)捻度(du)(图1b),这确保纱(sha)线(xian)(xian)整体均可(ke)产生有(you)效的(de)驱(qu)动。此(ci)外(wai),在(zai)高(gao)捻度(du)的(de)纱(sha)线(xian)(xian)肌肉(rou)中(zhong)实现了多级(ji)结构,多级(ji)孔道(dao)结构促进了离子(zi)的(de)嵌入和脱(tuo)出(图1a,c,d)。两者的(de)协(xie)同作(zuo)用(yong),共(gong)同提高(gao)电化学驱(qu)动纱(sha)线(xian)(xian)肌肉(rou)的(de)驱(qu)动性能。

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

当以电(dian)化(hua)学方式驱(qu)(qu)(qu)动(dong)(dong)时,纱(sha)线(xian)(xian)肌(ji)产生超大(da)的(de)(de)收缩(suo)(suo)驱(qu)(qu)(qu)动(dong)(dong)(3 V驱(qu)(qu)(qu)动(dong)(dong)电(dian)压(ya)下(xia)驱(qu)(qu)(qu)动(dong)(dong)量超60%),同(tong)时在(zai)短时间(jian)内举起(qi)重物(wu),其性(xing)能远优于文献(xian)值。两种类型的(de)(de)纱(sha)线(xian)(xian)肌(ji)肉(rou)的(de)(de)电(dian)荷(he)注(zhu)入(ru)量与(yu)拉伸收缩(suo)(suo)之间(jian)的(de)(de)关系(图2c)表明,在(zai)相(xiang)同(tong)的(de)(de)注(zhu)入(ru)电(dian)荷(he)量下(xia),四股高捻(nian)(nian)贯穿(chuan)纱(sha)线(xian)(xian)肌(ji)肉(rou)产生的(de)(de)拉伸收缩(suo)(suo)比(bi)四股融合纱(sha)线(xian)(xian)肌(ji)肉(rou)高得多。这表明四股高捻(nian)(nian)贯穿(chuan)纱(sha)线(xian)(xian)肌(ji)肉(rou)的(de)(de)结(jie)构可(ke)更加(jia)有(you)效地将离子嵌入(ru)引起(qi)的(de)(de)体积变(bian)化(hua)转(zhuan)化(hua)为伸缩(suo)(suo)驱(qu)(qu)(qu)动(dong)(dong)。此外,收缩(suo)(suo)驱(qu)(qu)(qu)动(dong)(dong)量与(yu)施(shi)加(jia)电(dian)压(ya)呈线(xian)(xian)性(xing)相(xiang)关(图2a,b),可(ke)通过施(shi)加(jia)电(dian)压(ya)对人工肌(ji)肉(rou)纱(sha)线(xian)(xian)进行精确和可(ke)编程控制。纱(sha)线(xian)(xian)肌(ji)肉(rou)还显示出长期稳定性(xing),在(zai)循环(huan)4500圈后,驱(qu)(qu)(qu)动(dong)(dong)保留率仍大(da)于97%(图2d)。

图(tu) 3. 四股(gu)集束人工(gong)肌肉纱线

该团队(dui)(dui)进一步证实(shi)了(le)(le)(le)多股人(ren)工(gong)肌肉(rou)纤(xian)维集束(shu)的(de)可(ke)能性,多股纱线集束(shu)大(da)大(da)增加了(le)(le)(le)力的(de)输(shu)出,可(ke)提升(sheng)更重的(de)重物,并且驱动(dong)量没有明(ming)显的(de)下降(图3)。为了(le)(le)(le)促进人(ren)工(gong)肌肉(rou)纱线的(de)实(shi)际应用,该团队(dui)(dui)通过在(zai)碳纳米管纤(xian)维表面原位(wei)静电纺丝一层薄而多孔的(de)聚(ju)丙烯腈纳米纤(xian)维作为隔膜(mo)及电解质层,成功制(zhi)备了(le)(le)(le)全固(gu)(gu)态纱线肌肉(rou)。该全固(gu)(gu)态人(ren)工(gong)肌肉(rou)可(ke)在(zai)空气中稳定的(de)驱动(dong),驱动(dong)量仍然(ran)达(da)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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