新型壳驱动人工肌肉材料

IMAGE: This illustration shows a twisted carbon nanotube yarn (CNT) (left) and a sheath-run artificial muscle (SRAM) made by coating a twisted CNT yarn with a polymer sheath. A scanning electron... view more 

Credit: The University of Texas at Dallas

近年来，德州大学达拉斯分校的研究人员以及其国际合作团队基于具有螺旋结构的碳纳米管纱线、聚合物纤维以及纤维束开发出多种可以在温度等外界刺激驱动下实现收缩以及伸长变形的人工肌肉材料。

近期，该团队设计出一系列 “壳层驱动人工肌肉材料”即将多种活性聚合物材料作为壳层涂覆到包括碳纳米纱线，以及价格低廉的尼龙纤维，蚕丝以及竹纤维上，该新型结构的人工肌肉材料表现出更高的机械能输出以及能量密度，该成果发表在Science杂志上。

论文的通讯作者，德州大学达拉斯分校的Alan G. MacDiarmid纳米中心主任Ray Baughman教授说：“对于这种新型人工肌肉，涂覆在加捻纤维外的壳层材料用来驱动人工肌肉的运动，而这种结构能够使人工肌肉具有更高的能量密度。在制备这种新型结构人工肌肉过程中，保持壳层材料处于凝胶态是非常关键的一步，这是因为由于溶剂挥发而变干的壳层材料会在大幅度加捻过程中发生严重的开裂变形。同时，选取合适的壳层厚度也是非常重要的，如果壳层太厚，被加捻的芯层纱线会很难解捻，进而降低人工肌肉的机械能输出。如果壳层材料太薄，芯层纱线的大幅度解捻会使壳层材料开裂变形，进而影响人工肌肉的循环稳定性。”

“先前，我们将整个纤维的内部及外部同时加热用以驱动人工肌肉，然而我们发现纤维人工肌肉的壳层是提供机械能输出的主要部分，而纤维的芯层区域却对机械能的转换贡献甚微。所以，将输入的外部能量集中作用在壳层区域能较大幅度的提高机械能的转换速度以及效率。”本论文的第一作者德州大学达拉斯分校研究员穆九柯博士说。

特别是，当通过电化学的方式驱动以碳纳米管纤维为壳尼龙纱线为芯的壳驱动人工肌肉时，其输出的平均收缩机械能是人体肌肉的四十倍，是先前电化学驱动人工肌肉的九倍。

Baughman教授表示“在先前的研究工作中，我们已经制备了基于碳纳米管纱线高能量密度人工肌肉，但是碳纳米管纱线目前比较昂贵。在这项壳驱动人工肌肉的工作中，我们展示了使用价格低廉的商用纤维取代碳纳米管纱线，并保持人工肌肉的高能量密度。”对于壳层材料的选择上，Baughman教授说：“很多具有在外界刺激下发生体积改变的材料都可以作为壳层材料，同时，这种简单的聚合物涂覆方法对于大规模商业制备也具有很好的可行性。”

“这种使用价格低廉的商业纤维取代碳纳米管纱线的新型人工肌肉制备技术，对于如机器人以及自适体织物等智能结构材料的开发领域具有很大的吸引力。”Baughman教授表示。

为了探究应用上的可行性，来自东华大学材料学院的合作者基于这种核壳人工肌肉纤维开发出一种智能织物，该织物能够在环境湿度较高时自动提高本身孔隙率进而改善人体穿着舒适度。同时，该论文还展示了一种能够感知外界葡萄糖含量并作出肌肉响应的壳驱动人工肌肉，这表明该类结构的人工肌肉在药物缓释领域具有较大的潜在应用。

该研究工作的其他作者分别来自南佐治亚大学，卧龙岗大学，东华大学，武汉大学，汉阳大学以及密理博西格玛公司。

该项工作得到美国空军科研办公室、海军科研办公室、美国国家科学基金会、罗伯特·a·韦尔奇基金会、澳大利亚研究理事会、韩国国家研究基金会、上海市科学技术委员会等基金的制备，并已经申报美国专利保护技术。

###