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  纖維基人工肌肉作為一種結構簡單、高靈敏性的柔性驅動器，在軟體機器人、智能系統等方面具有廣闊的應用前景。但目前纖維基人工肌肉的低維度單一形變、碳基原材料或化合物的復雜制備及其化學毒性、苛刻的驅動條件等問題，制約了其進一步發展和應用。因此，迫切需要一種基于大宗纖維材料、結構尺度可擴展、驅動條件溫和的高敏響應的人工肌肉驅動器，從而為纖維基人工肌肉在智能紡織品和柔性智能系統應用開辟新的視角。

  鑒于此，江南大學高衛東教授團隊提出了一種基于纖維體及其分級結果的跨尺度處理策略，通過巧妙的結構設計將普通粘膠纖維設計為具有快速響應的濕驅動紗線人工肌肉，實現了高達2100 rpm的最大旋轉速度和1752°cm^-1的最大扭轉沖程。在此基礎上，通過拓撲編織結構將紗線人工肌肉擴展為二維的織物人工肌肉，克服了紗線人工肌肉低維的單一變形問題，實現了卷曲、螺旋、彎曲、扭轉等多種形式的致動效果。這種織物人工肌肉為纖維基人工肌肉開辟了新的發展空間，其機構簡單性、多功能性和低成本等優勢可實現在智能紡織品、軟體機器人等工程領域的廣泛應用。相關成果以標題為“Hierarchically structured and Scalable Artificial Muscles for Smart Textiles”發表在ACS Applied Materials & Interfaces。江南大學生態紡織教育部重點實驗室碩士研究生彭陽陽為論文第一作者，孫豐鑫副研究員為論文通訊作者。

摘要圖：通過纖維聚集態結構、纖維螺旋形態和織物拓撲編織結構的構建，實現濕響應的智能紡織品研發。

圖1. 跨尺度結構及纖維基人工肌肉的構建方法

圖2. 紗線人工肌肉結構及物理性能表征。

  該研究通過設計粘膠纖維的熱牽伸實驗誘導粘膠纖維的聚集態結構再取向，然后利用紡織加工技術將牽伸處理的纖維加強捻、并合與自回復加工，從而實現自平衡的雙螺旋結構的紗線人工肌肉制備，如圖1所示。進一步地，一維的紗線人工肌肉可以通過織造技術拓撲地設計為二維織物人工肌肉。圖2（a-b）顯示了紗線人工肌肉的自平衡結構和纖維干態和濕態的微結構特征。如圖2（c-f）所示，經過熱牽伸處理的粘膠紗線人工肌肉的旋轉速度和最大轉動沖程均具有近兩倍的提高，而且體現了較好的循環驅動效果，50次循環實驗后性能基本保持不變。另一方面，熱牽伸提高了纖維的斷裂強度，但保持了紗線人工肌肉的力學性能的穩定性。

圖3. 紗線人工肌肉驅動機理及其跨尺度結構的物理解釋。

  研究表明，熱應力牽伸處理誘導粘膠纖維β-折疊鏈納米晶和無定形大分子鏈進一步取向；當水分子打開纖維聚集態結構氫鍵，誘導釋放非穩態應力，納米晶和無定形大分子鏈松弛；當纖維重新干燥后，由于高密度未被打開的氫鍵區的存在，使納米微晶和大分子鏈重新取向。如圖3，方位角衍射圖譜和相對取向因子計算結果進一步驗證了這個變化過程。此外，小角衍射結果表明牽伸后纖維的微原纖結構曲線排列更加緊密，也提高了纖維的吸濕膨脹性。幾何結構研究進一步表明纖維各向異性維度變化（長度吸濕縮短、直徑吸濕膨脹）對紗線人工肌肉扭轉驅動的細觀作用機制，基于能量方法探明了纖維退捻扭轉能與紗線人工肌肉扭轉能的正比例關系。

圖4. 可擴展的織物人工肌肉及其驅動性能。

圖5. 織物人工肌肉應用于濕響應智能紡織品。

  研究通過織物結構拓撲設計，將紗線人工肌肉進一步擴展為織物人工肌肉，并借助不同的剪裁方式，實現了織物人工肌肉不同的濕態驅動變形效果，見圖4和圖5所示。而且織物肌肉展現了較高的比應力，峰值彎曲作用力可達自身重力的25倍。織物人工肌肉可以實現熱濕管理織物的開發，當人體在氣溫較高出汗時，織物人工肌肉紡制的衣袖可以自動卷起以便人體熱濕散失，天氣涼爽時，在無汗液的干態皮膚表面，織物舒展開以保暖。此外，這類智能織物還可以用于智能調溫和調光的溫室大棚的遮陽簾。

  研究者從纖維材料微觀結構重構、紗線細觀螺旋形態構建和織物拓撲結構設計三個維度，設計了一種高靈敏、尺寸可擴展的濕驅動人工肌肉致動器。實現了二維的織物人工肌肉的制備，可實現多樣性的空間驅動變形。該項研究為纖維基人工肌肉的開發應用提供了新的思路，在智能紡織品等領域具有可觀的應用前景。

  論文鏈接：https://doi.org/10.1021/acsami.1c16323