前沿科技:南开大学刘遵峰教授团队研发纯蚕丝“人工肌肉”

中研股份2019年3月19日讯  如今,人们在智能纺织品的开发方面取得了不错的进展,制造出来的纺织品具有能量储存、自清洁、颜色变化、温度和湿度调节等新型功能。“如果纺织品能够对湿度响应,通过调节宏观形状或孔隙率实现水分和热量管理,将会为人们提供更多的舒适体验。这一设想,引起了我们极大的兴趣。”刘遵峰教授说。

如果有件智能衣服,可以感知皮肤表面湿度,出汗时长袖变为短袖,汗干后又恢复如初,那将多么神奇。如今,这一设想已经成为可能。南开大学药物化学生物学国家重点实验室刘遵峰教授团队研获了一种绿色环保的纯蚕丝“人工肌肉”,可通过感知湿度实现自动伸缩。这种新型“人造肌肉”,不仅可以用于智能织物,在柔软机器人研发领域也将大有可为。日前,介绍该成果的论文发表于材料领域国际权威期刊《先进功能材料》(Advanced Functional Materials)上。

将传统纺织技术和纤维型“人工肌肉”相结合是获得智能纺织品的方法之一。研究人员介绍,虽然碳纳米管、石墨烯、聚乙烯、尼龙等纤维材料已被报道用于制备“人工肌肉”纤维,但这些材料很难用作调节湿度和体温的智能纺织品。因为,这些材料具有造价昂贵、工艺复杂、舒适性差等缺点。

“然而,蚕丝用作衣物已经有上千年的历史,它穿着舒适,是一种重要的纺织原料。我们调查发现,目前还没有利用天然纤维制成‘人工肌肉’并用于智能织物领域的报道。”刘遵峰教授说。

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前沿科技:南开大学刘遵峰教授团队研发纯蚕丝“人工肌肉”

蚕丝“人工肌肉”纤维制备流程示意图

刘遵峰教授团队利用天然纯蚕丝制备了一种新型的“人工肌肉”纤维,不使用化学修饰和添加剂,通过脱胶、加捻、合股、热定型等常规工业流程制作获得。蚕丝“人工肌肉”在水雾和湿度驱动下实现了扭转、拉伸和收缩致动。为了不需要外界固定就能实现可逆驱动,刘遵峰教授团队开发了一种扭矩平衡的纤维结构,通过将扭曲的纤维对折、合股,使得蚕丝纤维实现了自平衡。

当暴露在水雾中时,扭转人工肌肉纤维实现了547° mm?1的完全可逆扭转行程,非常接近于湿度驱动的扭转石墨烯纤维(588.6° mm?1)。当相对湿度从20%变为80%时,蚕丝伸缩肌肉的收缩率为70%。“这种优异的致动性是因为蚕丝纤维吸水后诱导蛋白内氢键的损失和相关的结构转化,并且通过分子动力学模拟、X射线衍射和宏观表征得到证实。”刘遵峰教授说。

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湿度增加后,蚕丝“人工肌肉”纤维编织的玩偶上衣衣袖缩短至一半,湿度降低后复原

记者在该实验室看到,研究人员用蚕丝伸缩肌肉编织了一件玩偶大小的智能上衣,实现了环境湿度增加时(例如,由于汗水或潮湿环境),智能上衣的衣袖长度收缩至原长度的一半;湿度下降时又恢复如初。这种水分敏感的纺织品,可以通过改变宏观形状非常有效地实现水分和热量的管理功能。

由于蚕丝应用广泛且具有优异的穿戴舒适性,蚕丝‘人工肌肉’的制作流程符合当前工业化程序,不需要化学修饰和额外的添加剂,他们预计它将在工业应用中开辟更多的可能性,例如智能纺织品和柔性机器人。

据悉,该研究受国家自然科学基金、天津市自然科学基金、南开大学相关计划资助。南开大学药物化学生物学国家重点实验室为论文《Moisture Sensitive Smart Yarns and Textiles from Self-Balanced Silk Fiber Muscles》(《湿度敏感的自平衡蚕丝人工肌肉及智能织物》)第一单位,刘遵峰教授为通讯作者,南开大学药学院2016级硕士研究生贾天娇为第一作者。

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