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    南開大學團隊研獲純蠶絲“人工肌肉”
    發布時間:2019-03-22


    如果有件智能衣服,可以感知皮膚表面濕度,出汗時長袖變為短袖,汗干后又恢復如初,那將多么神奇。如今,這一設想已經成為可能。南開大學藥物化學生物學國家重點實驗室劉遵峰教授團隊研獲了一種綠色環保的純蠶絲“人工肌肉”,可通過感知濕度實現自動伸縮。這種新型“人造肌肉”,不僅可以用于智能織物,在柔軟機器人研發領域也將大有可為。日前,介紹該成果的論文發表于材料領域國際權威期刊《先進功能材料》(Advanced Functional Materials)上。




    如今,人們在智能紡織品的開發方面取得了不錯的進展,制造出來的紡織品具有能量儲存、自清潔、顏色變化、溫度和濕度調節等新型功能?!叭绻徔椘纺軌驅穸软憫?,通過調節宏觀形狀或孔隙率實現水分和熱量管理,將會為人們提供更多的舒適體驗。這一設想,引起了我們極大的興趣?!眲⒆穹逭f。


    蠶絲“人工肌肉”纖維制備流程示意圖


    將傳統紡織技術和纖維型“人工肌肉”相結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節濕度和體溫的智能紡織品。因為,這些材料具有造價昂貴、工藝復雜、舒適性差等缺點。




    “然而,蠶絲用作衣物已經有上千年的歷史,它穿著舒適,是一種重要的紡織原料。我們調查發現,目前還沒有利用天然纖維制成‘人工肌肉’并用于智能織物領域的報道?!眲⒆穹逭f。

    劉遵峰團隊利用天然純蠶絲制備了一種新型的“人工肌肉”纖維,不使用化學修飾和添加劑,通過脫膠、加捻、合股、熱定型等常規工業流程制作獲得。蠶絲“人工肌肉”在水霧和濕度驅動下實現了扭轉、拉伸和收縮致動。為了不需要外界固定就能實現可逆驅動,劉遵峰團隊開發了一種扭矩平衡的纖維結構,通過將扭曲的纖維對折、合股,使得蠶絲纖維實現了自平衡。


    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,

    濕度降低后復原


    當暴露在水霧中時,扭轉人工肌肉纖維實現了547o mm-1的完全可逆扭轉行程,非常接近于濕度驅動的扭轉石墨烯纖維(588.6o mm-1)。當相對濕度從20%變為80%時,蠶絲伸縮肌肉的收縮率為70%?!斑@種優異的致動性是因為蠶絲纖維吸水后誘導蛋白內氫鍵的損失和相關的結構轉化,并且通過分子動力學模擬、X射線衍射和宏觀表征得到證實?!眲⒆穹逭f。

    記者在該實驗室看到,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,實現了環境濕度增加時(例如,由于汗水或潮濕環境),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現水分和熱量的管理功能。




    “由于蠶絲應用廣泛且具有優異的穿戴舒適性,蠶絲‘人工肌肉’的制作流程符合當前工業化程序,不需要化學修飾和額外的添加劑,我們預計它將在工業應用中開辟更多的可能性,例如智能紡織品和柔性機器人?!?/span>

    據悉,該研究受國家自然科學基金、天津市自然科學基金、南開大學相關計劃資助。南開大學藥物化學生物學國家重點實驗室為論文《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,南開大學藥學院2016級碩士研究生賈天嬌為第一作者。


    圖文源于網絡

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