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東華大學(xué)王宏志教授課題組 Adv. Mater.：可在空氣中操控的電致變色人工肌肉纖維

2023-11-08 來(lái)源：高分子科技

關(guān)鍵詞：螺旋結(jié)構(gòu) 電致變色人工肌肉碳管紗線(xiàn) 多功能纖維

自然界中的許多生物，包括章魚(yú)、墨魚(yú)、安第斯雨蛙等，它們不僅能像變色龍一樣快速適應(yīng)周?chē)h(huán)境的顏色，而且能可逆地改變自身的紋理或姿勢(shì)以適應(yīng)環(huán)境，從而表現(xiàn)出更加復(fù)雜的姿態(tài)、偽裝能力。人造肌肉被認(rèn)為是這些生物體能夠?qū)崿F(xiàn)其紋理或姿勢(shì)可逆變化的方式之一，可以模仿生命系統(tǒng)的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)，與真實(shí)肌肉相比提供更高的輸出能量。然而，電化學(xué)離子注入驅(qū)動(dòng)的人造肌肉存在致動(dòng)特性單一、難以在空氣中穩(wěn)定運(yùn)行的問(wèn)題，阻礙了其未來(lái)發(fā)展。受人體肌肉的運(yùn)動(dòng)機(jī)理啟發(fā)（圖1），東華大學(xué)王宏志課題組基于前期在氧化鎢納米線(xiàn)（W₁₈O₄₉ NWs）、氧化釩納米線(xiàn)（V₂O₅ NWs）電致變色致動(dòng)器上的工作積累。選用碳管紗線(xiàn)（CNTF）作為導(dǎo)電核層材料，具有較高長(zhǎng)徑比的V₂O₅ NWs作為鞘層活性材料，構(gòu)筑V₂O₅ NWs/CNTF核鞘結(jié)構(gòu)多功能紗線(xiàn)。利用濕法纏繞、濕法加捻，構(gòu)筑得到具有致動(dòng)變色雙響應(yīng)的多功能纖維（圖2a-b）。+4 V電壓驅(qū)動(dòng)下，螺旋結(jié)構(gòu)電致變色人工肌肉纖維最大收縮幅度可達(dá)到17.9%，顏色可以在黃色-黃綠色-藍(lán)灰色之間可逆轉(zhuǎn)變，反射率對(duì)比度高達(dá)53.9%，顯示出良好的致動(dòng)和變色性能（圖2b，人工肌肉變色驅(qū)動(dòng)機(jī)理）。

圖1. 人體肌肉的驅(qū)動(dòng)機(jī)理示意圖。

圖2. V₂O₅ NWs/SWCNTs核鞘多功能紗線(xiàn)的制備及變色變形雙響應(yīng)機(jī)理。

為了構(gòu)筑可以在空氣中穩(wěn)定運(yùn)行的電致變色人工肌肉（EAM），創(chuàng)新性地提出了熱澆筑快速冷卻的電解質(zhì)成型方法（圖3a），在特定電壓刺激下，EAM可以在空氣中穩(wěn)定運(yùn)行，并發(fā)生較大的收縮變形（收縮形變12%）和可逆的顏色變化（反射率對(duì)比度變化為50.1%）。此外，進(jìn)行器件結(jié)構(gòu)的可編程設(shè)計(jì)，獲得了具有不同顏色組合的EAM（圖3f-i，圖4）。

圖3. EAM 的多功能性能和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。可在空氣中操控的電致變色人工肌肉器件結(jié)構(gòu)示意圖及多功能可編程設(shè)計(jì)示意圖。

圖4. 單根電致變色人工肌肉紗線(xiàn)驅(qū)動(dòng)單根電致變色人工肌肉紗線(xiàn)演示視頻；單根碳管紗線(xiàn)驅(qū)動(dòng)多根電致變色人工肌肉紗線(xiàn)演示視頻。

基于COMSOL、ABAQUS軟件的模擬結(jié)果（圖5a-b），構(gòu)筑了環(huán)形排布結(jié)構(gòu)的EAM，該器件在空氣中具有力學(xué)輸出大、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。利用環(huán)形排布結(jié)構(gòu)的EAM構(gòu)建了人工假肢外骨骼，在電化學(xué)驅(qū)動(dòng)下，可同時(shí)發(fā)生致動(dòng)和可逆的顏色變化（圖5c，圖6）。

圖5. 不同排布方式的電致變色人工肌肉的力學(xué)電學(xué)模擬；環(huán)形排布的電致變色人工肌肉被應(yīng)用于人工假肢外骨骼的性能表征及演示實(shí)驗(yàn)。

圖6. 環(huán)形排布的電致變色人工肌肉被應(yīng)用于人工假肢外骨骼的演示視頻。

相關(guān)工作以“Air-Working Electrochromic Artificial Muscles”為題發(fā)表在Advanced Materials（DOI: 10.1002/adma.202305914）上，東華大學(xué)博士生凌勇為第一作者，李克睿研究員、李耀剛教授、王宏志教授為論文共同通訊作者。

原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202305914

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（責(zé)任編輯：xu）

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