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  在日常生活中，頭發(fā)被視為裝飾物。如今燙發(fā)已成為時(shí)尚的重要元素，卷發(fā)更是風(fēng)靡大街小巷，深入每個(gè)人心。有史以來，人們一直在尋找頭發(fā)卷曲的方法。如古代埃及，是把頭發(fā)纏卷在圓木棒上，在用濕泥凃上，在太陽下曬干后就成卷發(fā)了，后來水燙、火燙、電燙及冷燙技術(shù)相繼出現(xiàn)。其中，冷燙技術(shù)是一直到現(xiàn)在美發(fā)廳都普遍使用的一種燙發(fā)方式。如果能有一種新型燙發(fā)技術(shù)，可以感知環(huán)境濕度變化智能調(diào)控發(fā)型，那將多么神奇。南開大學(xué)化學(xué)學(xué)院劉遵峰教授團(tuán)隊(duì)研發(fā)出一種“智能燙發(fā)新技術(shù)”，利用加捻和冷燙技術(shù)制備了可以自行固定的頭發(fā)人工肌肉，可通過感知濕度實(shí)現(xiàn)自動(dòng)伸縮，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)發(fā)短發(fā)間的智能轉(zhuǎn)換。該“智能的燙發(fā)技術(shù)”為含化學(xué)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(jī)器人研發(fā)領(lǐng)域中具有廣闊的應(yīng)用前景。

  基于生物材料的自固定智能驅(qū)動(dòng)器在人工肌肉，傳感器、控制器以及用于組織工程、醫(yī)療保健和人機(jī)交互的軟機(jī)器人中顯示出廣闊的應(yīng)用前景。拉伸和扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)是基本變形類型，可用于構(gòu)建復(fù)雜的變形驅(qū)動(dòng)，如彎曲、滾動(dòng)、爬行等。像人的肌肉纖維、蜘蛛絲以及鈴狀鈴蟲的細(xì)長(zhǎng)莖等，它們都是天然界中存在的自固定的纖維驅(qū)動(dòng)器，可以實(shí)現(xiàn)伸縮和扭轉(zhuǎn)等運(yùn)動(dòng)。但是，這些天然材料不能直接用于工業(yè)和人類生活中。因此，急需開發(fā)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(fā)是一種由豐富角蛋白組成的天然生物材料，具有高拉伸強(qiáng)度、高隔熱性、完全的生物降解性以及容易獲得等優(yōu)點(diǎn)。由于頭發(fā)中α-角蛋白對(duì)水具有高靈敏響應(yīng)性，因此頭發(fā)非常適合制備自固定的人工肌肉。南開大學(xué)劉遵峰教授團(tuán)隊(duì)，探索利用頭發(fā)中二硫鍵和氫鍵形成的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，開發(fā)了一種“智能燙發(fā)新技術(shù)”，來實(shí)現(xiàn)濕度響應(yīng)的頭發(fā)人工肌肉的自固定。首先，將加捻后的頭發(fā)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(lián)網(wǎng)絡(luò)，來保持頭發(fā)纖維的捻度，實(shí)現(xiàn)“智能燙發(fā)新技術(shù)”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(shí)現(xiàn)自固定人工肌肉驅(qū)動(dòng)的可逆性和不可逆性的調(diào)控。可逆的旋轉(zhuǎn)型人工肌肉實(shí)現(xiàn)了122.4°mm^-1的旋轉(zhuǎn)，同手性和異手性伸縮性人工肌肉分別實(shí)現(xiàn)了94％的收縮和3000％的伸長(zhǎng)。這種優(yōu)異的驅(qū)動(dòng)性能取決于頭發(fā)纖維吸水后角蛋白內(nèi)氫鍵斷裂和相關(guān)的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)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(shí)。

圖1 頭發(fā)的表征及基于二硫鍵制備人工肌肉的機(jī)理

圖2 旋轉(zhuǎn)型頭發(fā)人工肌肉的扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)和機(jī)械性能

  自固定頭發(fā)人工肌肉可用于濕度傳感器、智能開關(guān)、爬行機(jī)器人以及智能發(fā)型等應(yīng)用場(chǎng)景。這項(xiàng)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(xué)交聯(lián)來實(shí)現(xiàn)捻度的保持，來制備自固定的纖維人工肌肉，并實(shí)現(xiàn)人工肌肉可逆性的調(diào)節(jié)。該“智能燙發(fā)新技術(shù)”可拓展應(yīng)用于含–SH鍵的其他天然和人造材料的自固定中，并對(duì)含其它動(dòng)態(tài)可逆共價(jià)鍵材料的自固定具有借鑒意義。這將促進(jìn)天然生物材料在組織工程、醫(yī)療保健以及人機(jī)交互的軟機(jī)器人、傳感器等領(lǐng)域的應(yīng)用。

圖3 頭發(fā)人工肌肉的應(yīng)用展示

  本研究在國(guó)家自然科學(xué)基金、天津市自然科學(xué)基金和南開大學(xué)相關(guān)計(jì)劃等資助下完成，成果發(fā)表于國(guó)際權(quán)威期刊Materials Horizons上。南開大學(xué)化學(xué)學(xué)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

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