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為了解決上述問題，中科院蘇州納米所李清文團隊提出了一種高捻度貫穿的碳納米管（CNT）纖維來提高電化學仿生肌肉纖維的驅(qū)動量和響應速率。

圖 1. 電化學驅(qū)動高捻貫穿人工肌肉紗線的驅(qū)動機理示意圖

與先前報道的螺旋CNT紗線肌肉不同（從表面到中心，其捻角逐漸減小為零），即使在肌肉紗線中心附近，組成紗線的CNT纖維仍保持高捻度(圖1b)，這確保紗線整體均可產(chǎn)生有效的驅(qū)動。此外，在高捻度的紗線肌肉中實現(xiàn)了多級結構，多級孔道結構促進了離子的嵌入和脫出(圖1a,c,d)。兩者的協(xié)同作用，共同提高電化學驅(qū)動紗線肌肉的驅(qū)動性能。

圖 2. a. 人工肌肉紗線的驅(qū)動量與電壓之間的關系；b. 4股多級紗線肌肉的驅(qū)動量與電壓之間的關系；c. 人工肌肉纖維的驅(qū)動量與注入電荷之間的關系；d. 循環(huán)穩(wěn)定性

當以電化學方式驅(qū)動時，紗線肌產(chǎn)生超大的收縮驅(qū)動（3 V驅(qū)動電壓下驅(qū)動量超60%），同時在短時間內(nèi)舉起重物，其性能遠優(yōu)于文獻值。兩種類型的紗線肌肉的電荷注入量與拉伸收縮之間的關系（圖2c）表明，在相同的注入電荷量下，四股高捻貫穿紗線肌肉產(chǎn)生的拉伸收縮比四股融合紗線肌肉高得多。這表明四股高捻貫穿紗線肌肉的結構可更加有效地將離子嵌入引起的體積變化轉(zhuǎn)化為伸縮驅(qū)動。此外，收縮驅(qū)動量與施加電壓呈線性相關(圖2a,b)，可通過施加電壓對人工肌肉紗線進行精確和可編程控制。紗線肌肉還顯示出長期穩(wěn)定性，在循環(huán)4500圈后，驅(qū)動保留率仍大于97%(圖2d)。

圖 3. 四股集束人工肌肉紗線

該團隊進一步證實了多股人工肌肉纖維集束的可能性，多股紗線集束大大增加了力的輸出，可提升更重的重物，并且驅(qū)動量沒有明顯的下降（圖3）。為了促進人工肌肉紗線的實際應用，該團隊通過在碳納米管纖維表面原位靜電紡絲一層薄而多孔的聚丙烯腈納米纖維作為隔膜及電解質(zhì)層，成功制備了全固態(tài)紗線肌肉。該全固態(tài)人工肌肉可在空氣中穩(wěn)定的驅(qū)動，驅(qū)動量仍然達到18%。

低驅(qū)動電壓、可編程收縮驅(qū)動以及大驅(qū)動量輸出可大大拓寬此類人工肌肉纖維的應用范圍。此外，這種具有多孔道的高捻度結構設計同樣可適于制備由其他驅(qū)動方法驅(qū)動的新型紗線肌肉。

  該研究成果以High-Twist-Pervaded Electrochemical Yarn Muscles with Ultralarge and Fast Contractile Actuations為題發(fā)表在Materials Horizons上。論文第一作者是中科院蘇州納米所博士生王玉蓮，通訊作者為邸江濤研究員和李清文研究員。該工作得到了國家自然科學基金（21975281， 21773293，21603264）、國家重點研發(fā)計劃（2016YFA0203301）等科研項目的支持。

  原文鏈接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/MH/D0MH01352H#!divAbstract