南開大學 劉遵峰團隊 AFM: 純蠶絲制成的人工肌肉和濕度調節的智能服裝、綠色無添加劑

【背景介紹】

如今，人們在智能紡織品的開發方面取得了不錯的進展，制造出來的紡織品還具有能量儲存、自清潔、顏色變化、溫度和濕度調節等新型功能。對濕度響應的紡織品可以通過調節宏觀形狀或孔隙率實現水分和熱量管理，引起了研究人員的極大興趣。這樣的紡織品可以為人們提供更多的舒適性，具有巨大的市場價值。

將傳統紡織技術和纖維型人工肌肉相結合實現紡織品智能功能的方法之一。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，但是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、制造過程復雜、舒適性差等缺點。然而，蠶絲用作衣物已經有上千年的歷史，是當前一種重要的的紡織品，它穿著舒適。根據研究調查發現，目前還沒有報道關于利用天然纖維制成人工肌肉并用于智能織物領域。

【成果簡介】

最近，南開大學的劉遵峰教授（獨立通訊作者）團隊等報道了使用純蠶絲纖維制作了人工肌肉纖維，不使用化學修飾和添加劑，通過脫膠、加捻、合股、熱定型等工業化常用流程制作而成。該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，作者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，（通過在中間點對折）而使得蠶絲纖維實現了自平衡。當暴露在水霧中時，扭轉人工肌肉纖維實現了547^o mm^-1的完全可逆扭轉行程，非常的接近于濕度驅動的扭轉石墨烯纖維（588.6^o 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％。這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。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，它將在工業應用中將會開辟更多的可能性，例如智能紡織品和柔性機器人。研究成果以題為“Moisture Sensitive Smart Yarns and Textiles from Self-Balanced Silk Fiber Muscles”發布在國際著名期刊Adv. Funct. Mater.上。論文獨立通訊作者為劉遵峰教授，第一作者為16級碩士研究生賈天嬌。

【圖文解讀】

圖一、蠶絲蛋白的結構與力學性能
（a）吸水前和吸水后的蠶絲蛋白結構（pdb ID為3UA0）；

（b, c）蠶絲蛋白吸收水之前（b）和之后（c）的X射線衍射圖；

（d）室溫下，不同濕度下的蠶絲纖維的應力-應變曲線；

（e）蠶絲纖維吸水動力學曲線。

圖二、加捻蠶絲纖維人工肌肉的制備
（a）自平衡蠶絲扭轉人工肌肉的制備示意圖；

（b, c）非加捻（b）和加捻（c）蠶絲纖維的SEM圖像；

（d, e）包含一根（d）和三根（e）蠶絲的蠶絲扭轉人工肌肉的SEM圖像。

圖三、蠶絲扭轉人工肌肉的性能
（a）水霧驅動下，蠶絲扭轉肌肉的扭轉角和轉速隨時間的變化曲線；

（b）蠶絲扭轉肌肉循環穩定性測試；

（c）扭轉角α和加捻密度之間的關系（黑色條：測量值，紅色條：計算值）；

（d）不同捻度的蠶絲扭轉肌肉的應力-應變曲線（25 ℃，10％RH）；

（e）不同加捻密度的蠶絲扭轉肌肉扭轉角隨時間變化曲線；

（f）最大轉速、扭轉角和往返速度比與蠶絲肌肉加捻密度的關系。

圖四、蠶絲伸縮肌肉的制備與性能
（a）蠶絲伸縮肌肉示意圖；

（b）不同濕度下，異手性（ZS）和同手性（ZZ）蠶絲伸縮肌肉的拉伸行程；

（c）具有不同加捻的蠶絲伸縮肌肉在不同濕度下的拉伸行程（相對于20％濕度下的肌肉長度）；

（d）當濕度從20％變為60％（黑色）、70％（紅色）和80％（藍色）時，ZS和ZZ肌肉的拉伸行程與彈簧指數的關系；

（e）ZS（紅色圓圈）和ZZ（藍色方塊）型蠶絲伸縮肌肉循環穩定性測試（20％至60％）；

圖五、蠶絲人工肌肉的應用
（a）水分驅動的機器人“毛毛蟲”在纖維上行走；

（b）由蠶絲伸縮肌肉編織的具有不同的編織密度的紡織品；

（c）智能衣服的袖子在潮濕環境中收縮并在干燥空氣中恢復到原始長度；

（d）智能服裝通過控制宏觀形狀或微觀結構實現水分和熱管理。

【總結】

綜上所述，作者使用脫膠蠶絲纖維展示了水霧和濕度驅動的高性能蠶絲扭轉肌肉和蠶絲伸縮肌肉，并利用分子動力學模擬詳細研究了其機制。當暴露在水霧中時，制造的蠶絲扭轉肌肉提供了547° mm^-1的完全可逆的扭轉行程。當RH從20％變為80％時，卷繞的蠶絲伸縮肌肉收縮率達70％，比有機溶劑驅動的卷繞CNT紗線肌肉（60％）要打，且最大做功能力達73 J/kg。通過分子動力學模擬發現，吸水導致蠶絲蛋白內氫鍵的喪失，進而導致蠶絲蛋白結構的轉化，提供了蠶絲肌肉驅動的基本機制。此外，作者還展示了蠶絲人工肌肉作為步行機器人（毛毛蟲）和濕度敏感的智能紡織品的應用。由于蠶絲纖維原料非常豐富且具有高的成本效益，蠶絲人工肌肉將為智能紡織品和軟體機器人等各種應用開辟更多的可能性。

文獻鏈接：Moisture Sensitive Smart Yarns and Textiles from Self-Balanced Silk Fiber Muscles（Adv. Funct. Mater., 2019, DOI:10.1002/adfm.201808241）

Movie S1鏈接：

https://onlinelibrary.wiley.com/action/downloadSupplement?doi=10.1002%2Fadfm.201808241&file=adfm201808241-sup-0001-S1.mov

Movie S2鏈接：

https://onlinelibrary.wiley.com/action/downloadSupplement?doi=10.1002%2Fadfm.201808241&file=adfm201808241-sup-0002-S2.mov

Movie S3鏈接：

https://onlinelibrary.wiley.com/action/downloadSupplement?doi=10.1002%2Fadfm.201808241&file=adfm201808241-sup-0003-S3.mov

通訊作者簡介

劉遵峰教授，就職于南開大學，藥物化學生物學國家重點實驗室。研究領域為柔性智能材料。2008年畢業于南開大學化學學院，先后于荷蘭萊頓大學、美國德克薩斯州立大學達拉斯分校留學，2016年入職南開大學。目前共發表SCI論文50余篇，總計他人引用6000 次。其中以第一作者或通訊作者在Science, Adv. Mater., Adv. Funct. Mater.等國際學術SCI期刊上發表研究論文20余篇。其中2015年度發表在《Science》上關于“褶皺結構”彈性導體的研究工作被美國《Discover Magazine》評選為2015年度全球TOP100重大科學發現。

劉遵峰教授網站：www.liuzunfeng.com

研究簡介：

“可變形結構”柔性智能材料及可穿戴設備的研究，采用“形變誘導”方法，構筑了“多級褶皺”結構的彈性導體，克服了大形變下導電層的橫向斷裂問題，顯著提高了彈性導體的電阻穩定性。該方法的突破性進展，迅速帶動了相關領域的發展。通過合理構筑“褶皺”結構，實現了對電阻、電容等性質在大形變下的調控，構筑了電容型和電阻型柔性應變傳感器，可以滿足在大形變下正常工作，為可穿戴設備和實時健康監測提供了新的方案。開發的應用包括心臟起搏器導線、旋轉式人工肌肉纖維、可穿戴葡萄糖傳感器、可膨脹腫瘤熱療電極、可穿戴呼吸監測、步態監測、電容型體積傳感器、柔性可穿戴天線、可拉伸電磁屏蔽和電磁波吸收薄膜等。

相關代表性論文發表在：Science, 2015, 349, 400；Adv. Mater., 2016, 28, 4998；Adv. Funct. Mater., 2017, 27, 1702134； Carbon, 2018, 139, 801；Polymers, 2018, 10, 375； Opt. Express, 2018, 26, 28738； Small, 2019, doi: 10.1002/smll.201804805；ACS Appl. Mater. Interfaces, 2019, doi: 10.1021/acsami.8b19241；Adv. Electron. Mater., 2019, doi: 10.1002/aelm.201800817；Adv. Funct. Mater., 2019, DOI:10.1002/adfm.201808241等。

相關優質文獻推薦：

[1] Z. Liu, S. Fang(*), F. A. Moura, J. Ding, N. Jiang, J. Di, M. Zhang, X. Lepró, D. S. Galv?o, C. S. Haines, N. Yuan, S. Yin, D. W. Lee, R. Wang, H. Wang, W. Lv, C. Dong, R. Zhang, M. Chen, Q. Yin, Y. Chong, R. Zhang, X. Wang, M. D. Lima, R. Ovalle-Robles, D. Qian, H. Lu, R. H. Baughman(*), Science 2015, 349, 400.

[2] H. Wang(#), Z. Liu(#), J. Ding, X. Lepro, S. L. Fang, N. Jiang, N. Y. Yuan, R. Wang, Q. Yin, W. Lv, Z. S. Liu, M. Zhang, R. Ovalle-Robles, K. Inoue, S. G. Yin(*), R. H. Baughman(*), Adv. Mater. 2016, 28, 4998.

[3] R. Wang(#), N. Jiang(#), J. Su(#), Q. Yin, Y. Zhang, Z. Liu, H. Lin, F. A. Moura, N. Yuan, S. Roth, R. S. Rome, R. Ovalle-Robles, K. Inoue, S. Yin, S. L. Fang, W. Wang, J. Ding(*), L. Shi(*), R. H. Baughman, Z. Liu(*), Adv. Funct. Mater. 2017, 27, 1702134.

[4] S. Xu, S. Chen, L. Mou, F. Fan(*), Z. Liu(*), S. Chang(*), Carbon 2018, 139, 801.

[5] S. Xu(#), L. Mou(#), F. Fan(*), S. Chen, Z. Zhao, D. Xiang, M. J. De Andrade, Z. Liu(*), S. J. Chang, Opt. Express 2018, 26, 28738.

[6] D. Jiang, Z. Liu, K. Wu, L. Mou, R. Ovalle-Robles, K. Inoue, Y. Zhang, N. Yuan, J. Ding, J. Qiu, Y. Huang, Z. Liu(*), Polymers 2018, 10, 305.

[7] X. Hu, Y. Dou, J. Li, Z. Liu(*), Small 2019, online, doi: 10.1002/smll.201804805. (https://doi.org/10.1002/smll.201804805).

[8] R. Wang(#), Z. Liu(#), G. Wan(#), T. Jia, C. Zhang, X. Wang, M. Zhang, D. Qian, M. J. d. Andrade, N. Jiang, S. Yin, R. Zhang, D. Feng, W. Wang, H. Zhang, H. Chen, Y. Wang, R. Ovalle-Robles, K. Inoue, H. Lu, S. Fang, R. H. Baughman, Z. Liu(*), ACS Appl. Mater. Interfaces 2019, online, doi: 10.1021/acsami.8b19241. (https://doi.org/10.1021/acsami.8b19241)

[9] Z. Liu, F. Wan, L. Mou, M. J. d. Andrade, D. Qian, R. Wang, S. Yin, K. Li, H. Chen, B. An, Z. Hu, H. Wang, M. Zhu, S. Fang, and Z. Liu(*). Adv. Electron. Mater. 2019, online, doi: 10.1002/aelm.201800817. (https://doi.org/10.1002/aelm.201800817)

[10] T. Jia, Y. Wang, Y. Dou, Y. Li, M. J. d. Andrade, R. Wang, S. Fang, J. Li, Z. Yu, R. Qiao, Z. Liu, Y. Cheng, Y. Su, M. M.-Jolandan, R. H. Baughman, D. Qian, and Z. Liu(*), Adv. Funct. Mater. 2019, online, doi: 10.1002/adfm.201808241. (https://doi.org/10.1002/adfm.201808241)

本文由CQR編譯，材料人整理。

歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱: tougao@cailiaoren.com.

投稿以及內容合作可加編輯微信：cailiaorenvip。