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東華大學熊佳慶課題組 ACS Nano：全纖維驅動器實現環境監護型智能口罩

2025-03-12 來源：高分子科技

驅-感一體式智能變形材料在機械操控、信息采集、環境探測、智慧醫療和人-機-環境交互等領域展現出巨大應用前景。這類材料開發的難點在于驅動狀態與感知信息的實時同步反饋，限制其復雜交互場景應用。全纖維結構智能變形材料具備微觀特征可調、高設計性和多功能集成等優勢，有望解決這一難題。采用光電雙模響應材料實現驅動變形、電學感知與變色顯示可突破單一電學傳感局限，有望呈現一種更直觀的人-機-環境交互方式。以此構建一種集“感知-驅動-反饋”功能于一體的光電雙模纖維膜驅動器，賦予其環境適應性驅動和光電雙重環境交互能力，有望促進感知型軟體機器人和智能可穿戴裝備的探索和發展。

近日，東華大學熊佳慶課題組以擬態章魚皮膚為靈感，開發了一種光電雙模纖維膜（TCTR）感知型驅動器，由光熱-濕氣協同響應的熱致變色纖維層（TCL）和光熱響應纖維層（TRL）構成，實現環境熱-濕響應同步“變形-變色-感知”功能。作者提出在微納結構高取向纖維層間設計纖維互鎖過渡層的策略，實現高界面穩定性的雙層結構纖維膜驅動器，展示出色的機械韌性（17.9 MJ m^-3）、光熱轉化效率（22.9 ℃ min^-1）和顯著的顏色變化（暗紫紅色到亮淡黃色，明度變化~68）。這種濕度主導-光熱輔助響應的全纖維驅動器表現出優異的變形速率（0.67 cm^-1 s^-1）、雙向彎曲曲率（7.37 cm^-1）和循環穩定性。基于環境響應驅動誘導的電學-視覺雙模傳感策略，通過材料宏微觀結構差異化組裝，TCTR可感知觸覺刺激、呼吸狀態、環境溫濕度甚至空氣污染程度，在過濾材料、電子皮膚、智能監護口罩和主動調溫織物等領域展現出多樣化應用前景。

相關研究以“Adaptive All-Fiber Actuator for Human-Environment Interaction”為題發表在《ACS Nano》期刊上。論文第一作者為東華大學博士后張雨凡，通訊作者為熊佳慶研究員。該研究得到國家自然科學基金等項目資助。

圖1 全纖維智能驅動器的設計靈感與功能

受擬態章魚皮膚可產生環境自適應性形變和同步變色行為的啟發，作者開發了一種集“感知-變形-變色”功能于一體的全纖維膜驅動器。基于連續靜電紡絲工藝，制備對濕氣和光熱產生差異化響應的雙層結構纖維膜（TCTR），通過高取向纖維排列和纖維互鎖過渡層策略，既提升了器件界面穩定性，也保障了其綜合驅動性能，使得TCTR在力學性能、光熱-濕氣驅動響應和多模感知能力方面均有優異表現，展示了在雙向驅動、熱源感知、智能口罩和調溫織物等領域的多場景應用（圖1）。

圖2 光熱響應層TRL的制造策略與性能

驅動器的光熱響應層TRL由增強光熱吸收的MXene復合聚偏氟乙烯（PVDF）納米纖維構成。基于高濕度氛圍（RH = 70±5%）紡絲誘導PVDF纖維發生相分離，形成的“微晶顆粒”富集式多級結構可調控和提升纖維膜機械韌性與光熱性能，其斷裂應力和應變分別高達21.1 MPa和172%，最大比表面積可達13.6 m2 g^-1，孔隙體積較光滑狀態提升1.76倍（圖2）。在100 mW cm^-2紅外輻射下升溫速率達到22.9 °C min?1，這種增強的光熱響應速率有助于促進濕響應層TCL的水汽逸出，增強光熱-濕氣雙向驅動。

圖3 濕氣響應/溫度可視層TCL的制造策略與性能

驅動器的濕度響應/溫度可視層TCL由不同溫度變色響應差異性熒烷染料（TC）嵌入聚環氧乙烷（PEO）納米纖維構成，基于TC分子中心碳原子內酯環在臨界溫度下的可逆開/閉環顯色機制，纖維層在26 °C到60 °C間可實現連續可逆的顏色變化。高取向結構纖維層除具有更高的機械性能（斷裂韌性1.41 MJ m^-3比隨機排列纖維樣品高出近兩倍），其光學變色靈敏度也得到提升，展示出從26 °C（暗紫紅色）到60 °C（亮淡黃色）的顯著顏色變化（明度變化高達68），可為人-機-環境交互過程提供可視化溫度信息（圖3）。

圖4 TCTR的光熱-濕氣驅動原理和性能

TCL和TRL纖維層構成了一種由濕氣主導-光熱輔助的全纖維驅動器TCTR，通過雙層纖維間吸濕性和熱膨脹差異實現可逆的雙向驅動變形。在高濕度下，親水性高比表面積的 TCL層迅速吸濕膨脹，而濕度不敏感的TRL層則體積變形相對小，這種差異化膨脹促使器件向TRL側彎曲。光熱作用下，TRL層快速升溫膨脹，并傳遞熱量給TCL層加速其濕氣逸出和體積收縮，從而放大器件非對稱體積變化，使其向TCL側反向彎曲，同時伴隨實時顏色變化以可視化環境溫度。通過優化纖維多級結構和取向排列，TCTR最佳雙向驅動曲率達到7.23 cm^?1，響應速率高達0.67 cm^?1 s^?1（圖4）。纖維互鎖過渡層顯著提升了TCTR的界面穩定性和變形持久性，器件可耐受150個雙向驅動循環，驅動性能無明顯下降。

圖5 TCTR的智能穿戴應用

利用TCTR可設計多種動態智能織物和可穿戴設備。例如賦予織物從寒冷環境保暖到炎熱環境散熱的動態調溫，有望促進人體微環境智能管控。此外，通過集成電極賦予TCTR形變觸發式摩擦電效應，證實了一種環境監護式智能口罩。通過在口罩中整合PA織物/含電極TCTR模塊，基于TCTR變形能力依賴于不同呼吸狀態（氣流與其溫濕度）、空氣質量和環境溫度的原理，可觸發呼吸時TCTR/PA層間有效接觸面積差異，產生可區分的電學信號與變色效果，實現人體狀態和環境信息的實時感知，有望提升人體-環境交互舒適性和安全性（圖5）。

通過纖維互鎖過渡界面設計增強多級結構-高取向纖維膜的機械性能，作者開發了一種具備光熱-濕氣協同驅動和同步熱致變色功能的全纖維驅動器（TCTR），展示了器件對多種環境信息（觸覺、溫濕度、空氣污染和呼吸狀態）的主動感知功能，并驗證了其作為智能調溫織物和環境監護型智能口罩的可行性。這項工作有望為先進纖維材料開發提供策略參考，并為動態電子皮膚、微型軟體機器人和穿戴健康監護裝備等領域發展提供啟發。

文章信息：Y Zhang, T Zhang, Y Gu, M Fan, Y Zhang, S Wang, Y Xia,X Zhou, J Xiong*, Adaptive All-Fiber Actuator for Human–Environment Interaction, ACS Nano, 2025, https://doi.org/10.1021/acsnano.4c17638

原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.4c17638

課題組主頁：https://www.x-mol.com/groups/xiong_jiaqing

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（責任編輯：xu）

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