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南開大學(xué)劉遵峰教授團(tuán)隊研發(fā)純蠶絲“人工肌肉”
2019-03-18  來源:中國聚合物網(wǎng)
關(guān)鍵詞:人工肌肉 蠶絲 智能紡織

  如果有件智能衣服,可以感知皮膚表面濕度,出汗時長袖變?yōu)槎绦洌垢珊笥只謴?fù)如初,那將多么神奇。如今,這一設(shè)想已經(jīng)成為可能。南開大學(xué)藥物化學(xué)生物學(xué)國家重點實驗室劉遵峰教授團(tuán)隊研獲了一種綠色環(huán)保的純蠶絲“人工肌肉”,可通過感知濕度實現(xiàn)自動伸縮。這種新型“人造肌肉”,不僅可以用于智能織物,在柔軟機(jī)器人研發(fā)領(lǐng)域也將大有可為。日前,介紹該成果的論文發(fā)表于材料領(lǐng)域國際權(quán)威期刊《先進(jìn)功能材料》(Advanced Functional Materials)上。

  如今,人們在智能紡織品的開發(fā)方面取得了不錯的進(jìn)展,制造出來的紡織品具有能量儲存、自清潔、顏色變化、溫度和濕度調(diào)節(jié)等新型功能。“如果紡織品能夠?qū)穸软憫?yīng),通過調(diào)節(jié)宏觀形狀或孔隙率實現(xiàn)水分和熱量管理,將會為人們提供更多的舒適體驗。這一設(shè)想,引起了我們極大的興趣。”劉遵峰教授說。

  將傳統(tǒng)紡織技術(shù)和纖維型“人工肌肉”相結(jié)合是獲得智能紡織品的方法之一。研究人員介紹,雖然碳納米管、石墨烯、聚乙烯、尼龍等纖維材料已被報道用于制備“人工肌肉”纖維,但這些材料很難用作調(diào)節(jié)濕度和體溫的智能紡織品。因為,這些材料具有造價昂貴、工藝復(fù)雜、舒適性差等缺點。

  “然而,蠶絲用作衣物已經(jīng)有上千年的歷史,它穿著舒適,是一種重要的紡織原料。我們調(diào)查發(fā)現(xiàn),目前還沒有利用天然纖維制成‘人工肌肉’并用于智能織物領(lǐng)域的報道!眲⒆穹褰淌谡f。

蠶絲“人工肌肉”纖維制備流程示意圖

  劉遵峰教授團(tuán)隊利用天然純蠶絲制備了一種新型的“人工肌肉”纖維,不使用化學(xué)修飾和添加劑,通過脫膠、加捻、合股、熱定型等常規(guī)工業(yè)流程制作獲得。蠶絲“人工肌肉”在水霧和濕度驅(qū)動下實現(xiàn)了扭轉(zhuǎn)、拉伸和收縮致動。為了不需要外界固定就能實現(xiàn)可逆驅(qū)動,劉遵峰教授團(tuán)隊開發(fā)了一種扭矩平衡的纖維結(jié)構(gòu),通過將扭曲的纖維對折、合股,使得蠶絲纖維實現(xiàn)了自平衡。

  當(dāng)暴露在水霧中時,扭轉(zhuǎn)人工肌肉纖維實現(xiàn)了547° mm?1的完全可逆扭轉(zhuǎn)行程,非常接近于濕度驅(qū)動的扭轉(zhuǎn)石墨烯纖維(588.6° mm?1)。當(dāng)相對濕度從20%變?yōu)?0%時,蠶絲伸縮肌肉的收縮率為70%!斑@種優(yōu)異的致動性是因為蠶絲纖維吸水后誘導(dǎo)蛋白內(nèi)氫鍵的損失和相關(guān)的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化,并且通過分子動力學(xué)模擬、X射線衍射和宏觀表征得到證實!眲⒆穹褰淌谡f。

濕度增加后,蠶絲“人工肌肉”纖維編織的玩偶上衣衣袖縮短至一半,濕度降低后復(fù)原

  記者在該實驗室看到,研究人員用蠶絲伸縮肌肉編織了一件玩偶大小的智能上衣,實現(xiàn)了環(huán)境濕度增加時(例如,由于汗水或潮濕環(huán)境),智能上衣的衣袖長度收縮至原長度的一半;濕度下降時又恢復(fù)如初。這種水分敏感的紡織品,可以通過改變宏觀形狀非常有效地實現(xiàn)水分和熱量的管理功能。

  由于蠶絲應(yīng)用廣泛且具有優(yōu)異的穿戴舒適性,蠶絲‘人工肌肉’的制作流程符合當(dāng)前工業(yè)化程序,不需要化學(xué)修飾和額外的添加劑,他們預(yù)計它將在工業(yè)應(yīng)用中開辟更多的可能性,例如智能紡織品和柔性機(jī)器人。

  據(jù)悉,該研究受國家自然科學(xué)基金、天津市自然科學(xué)基金、南開大學(xué)相關(guān)計劃資助。南開大學(xué)藥物化學(xué)生物學(xué)國家重點實驗室為論文《Moisture Sensitive Smart Yarns and Textiles from Self-Balanced Silk Fiber Muscles》(《濕度敏感的自平衡蠶絲人工肌肉及智能織物》)第一單位,劉遵峰教授為通訊作者,南開大學(xué)藥學(xué)院2016級碩士研究生賈天嬌為第一作者。

  論文鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201808241

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