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  最近，《中國科學(xué): 技術(shù)科學(xué)》英文版（Science China Technological Sciences）發(fā)表了題為“Light-driven artificial muscles based on electrospun microfiber yarns”的研究論文，報(bào)道了利用靜電紡絲方法制備紗線“人工肌肉”的最新進(jìn)展。

  東華大學(xué)先進(jìn)功能材料課題組（pilab.dhu.edu.cn/afmg）研究人員以碳納米管（CNT）摻雜的聚氨酯（PU）溶液為紡絲液，利用取向收集方式，得到了可進(jìn)行多級(jí)加捻處理的紗線，并研究了其在紅外線照射下的伸縮可控行為及其在人工肌肉方面的潛在應(yīng)用。結(jié)果顯示，該紗線能夠在遠(yuǎn)紅外照射下產(chǎn)生6.7%的線性伸縮幅度，并能夠穩(wěn)定重復(fù)1000次以上。

紗線的取向結(jié)構(gòu)以及碳納米管在單根纖維中的形貌

  SEM結(jié)果顯示PU/CNT紗線呈現(xiàn)良好的統(tǒng)一取向結(jié)構(gòu)，單根纖維的直徑基本分布在1 μm左右，CNT能夠均勻地嵌入在PU纖維中，不發(fā)生明顯的聚集，保證了整體紗線的力學(xué)強(qiáng)度不受較大影響。紗線在螺旋加捻后需要在一定溫度下進(jìn)行熱處理以穩(wěn)定其形態(tài)。

紗線的螺旋結(jié)構(gòu)及其力學(xué)伸縮性能

  通常，無序隨機(jī)收集到的靜電紡絲紗線，其力學(xué)性能較差。對(duì)于無序收集到的紗線，雖然其斷裂伸長率達(dá)到236%，但是其斷裂強(qiáng)度僅為4.8 MPa。研究人員通過使用高速滾筒作為收集器，得到了具有高度取向的紗線，其斷裂強(qiáng)度提高到了43.2 MPa。另外，加捻的各項(xiàng)參數(shù)對(duì)紗線的遠(yuǎn)紅外響應(yīng)伸縮性能也有影響。當(dāng)紗線分別在1 MPa，2 MPa和3 MPa下進(jìn)行加捻時(shí)，其伸縮幅度為6.7%，4.8%和3.2%。

  由于紗線中的碳納米管具有良好的紅外吸收能力，在紅外光的照射下，紗線能夠在6 s內(nèi)迅速升溫至60℃左右，并能夠在10 s內(nèi)迅速降至室溫。紗線的螺旋結(jié)構(gòu)以及CNT/PU纖維的高取向性，能夠?qū)崦浝淇s在軸向上放大體現(xiàn)出來。將該紗線一端固定，一端懸掛一定重量的物體，可明顯觀察到紗線的伸縮致動(dòng)行為。

人工肌肉紗線在紅外下的伸縮響應(yīng)行為

  由于該“人工肌肉”紗線只需要遠(yuǎn)紅外照射就能驅(qū)動(dòng)及其良好的生物相容性，因此在無線控制、生物醫(yī)療等領(lǐng)域顯示出潛在的應(yīng)用前景。

  論文鏈接：https://link.springer.com/article/10.1007/s11431-018-9413-4