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  在日常生活中，頭發被視為裝飾物。如今燙發已成為時尚的重要元素，卷發更是風靡大街小巷，深入每個人心。有史以來，人們一直在尋找頭發卷曲的方法。如古代埃及，是把頭發纏卷在圓木棒上，在用濕泥凃上，在太陽下曬干后就成卷發了，后來水燙、火燙、電燙及冷燙技術相繼出現。其中，冷燙技術是一直到現在美發廳都普遍使用的一種燙發方式。如果能有一種新型燙發技術，可以感知環境濕度變化智能調控發型，那將多么神奇。南開大學化學學院劉遵峰教授團隊研發出一種“智能燙發新技術”，利用加捻和冷燙技術制備了可以自行固定的頭發人工肌肉，可通過感知濕度實現自動伸縮，實現長發短發間的智能轉換。該“智能的燙發技術”為含化學鍵的加捻纖維的定型提供了一種新的策略，在生物相容性智能材料、傳感器和軟體機器人研發領域中具有廣闊的應用前景。

  基于生物材料的自固定智能驅動器在人工肌肉，傳感器、控制器以及用于組織工程、醫療保健和人機交互的軟機器人中顯示出廣闊的應用前景。拉伸和扭轉驅動是基本變形類型，可用于構建復雜的變形驅動，如彎曲、滾動、爬行等。像人的肌肉纖維、蜘蛛絲以及鈴狀鈴蟲的細長莖等，它們都是天然界中存在的自固定的纖維驅動器，可以實現伸縮和扭轉等運動。但是，這些天然材料不能直接用于工業和人類生活中。因此，急需開發基于生物相容性和可生物降解的天然材料的新型自固定人工肌肉。

  頭發是一種由豐富角蛋白組成的天然生物材料，具有高拉伸強度、高隔熱性、完全的生物降解性以及容易獲得等優點。由于頭發中α-角蛋白對水具有高靈敏響應性，因此頭發非常適合制備自固定的人工肌肉。南開大學劉遵峰教授團隊，探索利用頭發中二硫鍵和氫鍵形成的交聯網絡，開發了一種“智能燙發新技術”，來實現濕度響應的頭發人工肌肉的自固定。首先，將加捻后的頭發纖維用硫代乙醇酸銨溶液還原，打開原來存在的S-S鍵形成–SH鍵。然后，在月桂胺氧化物溶液中氧化S-S鍵重組形成新的交聯網絡，來保持頭發纖維的捻度，實現“智能燙發新技術”的自固定。該人工肌肉可以通過控制從–SH鍵到S-S鍵的氧化程度，來實現自固定人工肌肉驅動的可逆性和不可逆性的調控。可逆的旋轉型人工肌肉實現了122.4°mm^-1的旋轉，同手性和異手性伸縮性人工肌肉分別實現了94％的收縮和3000％的伸長。這種優異的驅動性能取決于頭發纖維吸水后角蛋白內氫鍵斷裂和相關的結構轉化造成的體積膨脹，并通過X射線衍射和宏觀表征得到了證實。

圖1 頭發的表征及基于二硫鍵制備人工肌肉的機理

圖2 旋轉型頭發人工肌肉的扭轉驅動和機械性能

  自固定頭發人工肌肉可用于濕度傳感器、智能開關、爬行機器人以及智能發型等應用場景。這項研究提供了一種新的策略，通過生物相容性和可生物降解天然材料中的化學交聯來實現捻度的保持，來制備自固定的纖維人工肌肉，并實現人工肌肉可逆性的調節。該“智能燙發新技術”可拓展應用于含–SH鍵的其他天然和人造材料的自固定中，并對含其它動態可逆共價鍵材料的自固定具有借鑒意義。這將促進天然生物材料在組織工程、醫療保健以及人機交互的軟機器人、傳感器等領域的應用。

圖3 頭發人工肌肉的應用展示

  本研究在國家自然科學基金、天津市自然科學基金和南開大學相關計劃等資助下完成，成果發表于國際權威期刊Materials Horizons上。南開大學化學學院劉遵峰教授為該文章的通訊作者，博士生冷雪琪為第一作者。

  原文鏈接：

  Tuning the Reversibility of Hair Artificial Muscles by Disulfide Cross-Linking for Sensors, Switches, and Soft Robotics. Xueqi Leng, Xiang Zhou, Jiayu Liu, Yicheng Xiao, Yaowang Li & Zunfeng Liu. Materials Horizons, 2021, DOI: 10.1039/D1MH00234A.

  https://doi.org/10.1039/D1MH00234A

  課題組網站：https://liuzunfeng.nankai.edu.cn/

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