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得克薩斯大學達拉斯分校 Ray H. Baughman 院士團隊 Science:無芯軸制備大彈簧因子人工肌肉
2025-03-10  來源:高分子科技

  扭曲和螺旋聚合物纖維已被證明是一種制造人造肌肉的簡單方法。先前的自螺旋方法僅限于制備低彈簧指數的肌肉。若制備大彈簧因子肌肉或者紗線,必須將纖維纏繞在芯軸上。然而芯軸隨后需要被移除,從而產生多余的廢料,極大增大了制備難度和成本且限制了工業化生產。該無芯軸制備大彈簧因子肌肉的方法,打破了這一困局,在無需芯軸的條件下實現彈簧因子可調可控,極大降低生產成本,為大規模產業化人工肌肉提供了高效經濟的新方法。



  近期,美國得克薩斯大學達拉斯分校(The University of Texas at Dallas)納米科技研究所(NanoTech InstituteRay H. Baughman院士,Shaoli Fang教授和Mengmeng Zhang研究員帶領團隊研發了一種無芯軸制備大彈簧因子(spring index)螺旋聚合物人工肌肉的方法。彈簧因子是人工肌肉的螺旋結構直徑與纖維直徑的比率。大彈簧因子人工肌肉可以提供大的肌肉收縮行程和較高的肌肉制動力。該人工肌肉彈簧因子可高達50,并且制動收縮行程超過97%。該制備方法可通過調節多股結構加捻密度實現肌肉纖維以及單根肌肉纖維長度方向彈簧因子的可變控制,并且可以實現人工肌肉在加熱或冷卻過程中同手性和異手性的可逆轉換。這些大彈簧因子人工肌肉可用于機器人領域以及環境驅動的熱絕緣能力動態可調的智能衣服。該無芯軸方法對各類纖維或者紗線具備普適性。該團隊利用無芯軸方法制備出大彈簧因子的碳納米管紗線,并應用于機械能回收,自供電拉伸傳感器,以及溶劑驅動和電化學驅動納米人工肌肉的領域中。


1. 大彈簧因子聚合物螺旋人工肌肉的制備。


2. 大彈簧因子碳納米管紗線的制備以及其自發電應變傳感器和人工肌肉應用。


3. 大彈簧因子聚合物人工肌肉的性能。


4. 大彈簧因子人工肌肉的多樣化應用。


  該項工作顛覆了當前對必須依靠芯軸才可制備具有大彈簧因子人工肌肉的認知,為大規模高效經濟產業化大彈簧因子人工肌肉提供了新方法。同時,單根肌肉纖維長度方向彈簧因子可調為實現機器人復雜運動和開發新的運動模式提供了新的設計思路。該工作以“Mandrel-free fabrication of giant spring-index and stroke muscles for diverse applications”為題發表在《Science》上(Science 387, 1101-1108, 2025)。Mengmeng Zhang研究員是文章的第一作者,Shaoli Fang 教授和Ray H. Baughman院士是文章的通訊作者。該無芯軸人工肌肉制備技術及相關機器人和智能織物應用已經申請美國專利。該文章入選當期Science期刊亮點文章,同期發表在《Science》長評論文章“Ply for a large stroke”(Science 387, 1038-1039, 2025)對該團隊的研究成果進行了專題總結和未來展望。


  總結:大彈簧因子人工肌肉可用于制備基于環境溫度變化熱絕緣能力動態可調的智能織物。基于該團隊之前研發的芯軸卷曲技術,其技術授權方已與Ralph Lauren合作,成功商業化該智能織物,以此制備的舒適度可調羽絨服能夠根據環境溫度變化自動調節厚度,并被指定為2022北京冬奧會美國代表隊的官方隊服。該工作是Ray H. Baughman院士研究團隊近年來在纖維人工肌肉和纖維能量收集器等研究領域的又一重要進展。此外,憑借纖維多股結構優勢,該團隊在2023年報道了由Ray Baughman院士和Mengmeng Zhang研究員主導的多股碳納米管紗線高效機械能能量回收器的研究,相關工作發表在《Nature Energy(Nature Energy 8, 203-213, 2023)。一直以來,美國得克薩斯大學達拉斯分校納米科技研究所聚焦人工肌肉,機械能回收,新型材料合成,光電力轉換,材料力學增強,能源存儲和轉化等熱點研究領域,在ScienceNature等國際頂級期刊上發表了一系列重要研究進展。


  原文鏈接:https://www.science.org/doi/10.1126/science.adr6708


  下載:Mandrel-free fabrication of giant spring-index and stroke muscles for diverse applications

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(責任編輯:xu)
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