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  如果有件智能衣服，可以感知皮膚表面濕度，出汗時長袖變?yōu)槎绦洌垢珊笥只謴?fù)如初，那將多么神奇。如今，這一設(shè)想已經(jīng)成為可能。南開大學(xué)藥物化學(xué)生物學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室劉遵峰教授團(tuán)隊(duì)研獲了一種綠色環(huán)保的純蠶絲“人工肌肉”，可通過感知濕度實(shí)現(xiàn)自動伸縮。這種新型“人造肌肉”，不僅可以用于智能織物，在柔軟機(jī)器人研發(fā)領(lǐng)域也將大有可為。日前，介紹該成果的論文發(fā)表于材料領(lǐng)域國際權(quán)威期刊《先進(jìn)功能材料》(Advanced Functional Materials)上。

  如今，人們在智能紡織品的開發(fā)方面取得了不錯的進(jìn)展，制造出來的紡織品具有能量儲存、自清潔、顏色變化、溫度和濕度調(diào)節(jié)等新型功能。“如果紡織品能夠?qū)穸软憫?yīng)，通過調(diào)節(jié)宏觀形狀或孔隙率實(shí)現(xiàn)水分和熱量管理，將會為人們提供更多的舒適體驗(yàn)。這一設(shè)想，引起了我們極大的興趣。”劉遵峰教授說。

  將傳統(tǒng)紡織技術(shù)和纖維型“人工肌肉”相結(jié)合是獲得智能紡織品的方法之一。研究人員介紹，雖然碳納米管、石墨烯、聚乙烯、尼龍等纖維材料已被報道用于制備“人工肌肉”纖維，但這些材料很難用作調(diào)節(jié)濕度和體溫的智能紡織品。因?yàn)椋@些材料具有造價昂貴、工藝復(fù)雜、舒適性差等缺點(diǎn)。

  “然而，蠶絲用作衣物已經(jīng)有上千年的歷史，它穿著舒適，是一種重要的紡織原料。我們調(diào)查發(fā)現(xiàn)，目前還沒有利用天然纖維制成‘人工肌肉’并用于智能織物領(lǐng)域的報道。”劉遵峰教授說。

蠶絲“人工肌肉”纖維制備流程示意圖

  劉遵峰教授團(tuán)隊(duì)利用天然純蠶絲制備了一種新型的“人工肌肉”纖維，不使用化學(xué)修飾和添加劑，通過脫膠、加捻、合股、熱定型等常規(guī)工業(yè)流程制作獲得。蠶絲“人工肌肉”在水霧和濕度驅(qū)動下實(shí)現(xiàn)了扭轉(zhuǎn)、拉伸和收縮致動。為了不需要外界固定就能實(shí)現(xiàn)可逆驅(qū)動，劉遵峰教授團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種扭矩平衡的纖維結(jié)構(gòu)，通過將扭曲的纖維對折、合股，使得蠶絲纖維實(shí)現(xiàn)了自平衡。

  當(dāng)暴露在水霧中時，扭轉(zhuǎn)人工肌肉纖維實(shí)現(xiàn)了547° mm?1的完全可逆扭轉(zhuǎn)行程，非常接近于濕度驅(qū)動的扭轉(zhuǎn)石墨烯纖維(588.6° mm?1)。當(dāng)相對濕度從20%變?yōu)?0%時，蠶絲伸縮肌肉的收縮率為70%。“這種優(yōu)異的致動性是因?yàn)樾Q絲纖維吸水后誘導(dǎo)蛋白內(nèi)氫鍵的損失和相關(guān)的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化，并且通過分子動力學(xué)模擬、X射線衍射和宏觀表征得到證實(shí)。”劉遵峰教授說。

濕度增加后，蠶絲“人工肌肉”纖維編織的玩偶上衣衣袖縮短至一半，濕度降低后復(fù)原

  記者在該實(shí)驗(yàn)室看到，研究人員用蠶絲伸縮肌肉編織了一件玩偶大小的智能上衣，實(shí)現(xiàn)了環(huán)境濕度增加時(例如，由于汗水或潮濕環(huán)境)，智能上衣的衣袖長度收縮至原長度的一半；濕度下降時又恢復(fù)如初。這種水分敏感的紡織品，可以通過改變宏觀形狀非常有效地實(shí)現(xiàn)水分和熱量的管理功能。

  由于蠶絲應(yīng)用廣泛且具有優(yōu)異的穿戴舒適性，蠶絲‘人工肌肉’的制作流程符合當(dāng)前工業(yè)化程序，不需要化學(xué)修飾和額外的添加劑，他們預(yù)計(jì)它將在工業(yè)應(yīng)用中開辟更多的可能性，例如智能紡織品和柔性機(jī)器人。

  據(jù)悉，該研究受國家自然科學(xué)基金、天津市自然科學(xué)基金、南開大學(xué)相關(guān)計(jì)劃資助。南開大學(xué)藥物化學(xué)生物學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室為論文《Moisture Sensitive Smart Yarns and Textiles from Self-Balanced Silk Fiber Muscles》(《濕度敏感的自平衡蠶絲人工肌肉及智能織物》)第一單位，劉遵峰教授為通訊作者，南開大學(xué)藥學(xué)院2016級碩士研究生賈天嬌為第一作者。

  論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201808241