聚合物纖維開啟人造肌肉新篇章

材料牛注：人造肌肉最理想的狀態就是和真的手臂一樣靈活靈敏，但是其中的纖維激發拉伸和彈性能力卻一直表現不佳。路易斯安那州立大學（Louisiana State University）的研究團隊找到了方法。想象一下，再平常不過的扭轉和盤繞，當它們遇到聚合物纖維，又會迸發出怎樣的火花？開發方法中最平常的扭轉揭示了聚合物纖維的拉伸和彈性能力，一旦將它們扭轉并盤繞成彈簧形狀，人造肌肉的性能將取得顯著的增益。就像黃瓜爬藤那樣，當纖維收縮時，獨特的幾何學使線圈（類似彈簧）發生彎曲運動，該運動可由熱進行控制。現在，研究人員通過關注纖維材料的熱性能以及充分利用手性結構的分子結構，實現了纖維拉伸性能的進一步提升。

在本周Applied Physics Letters的封面文章中，路易斯安那州立大學機械工程系（Department of Mechanical and Industrial Engineering at Louisiana State University）的Guoqiang Li和他的團隊闡述了他們開發一種新纖維的過程，這種纖維具有較高的拉伸行程，且當溫度超過100℃時它可以被觸發或驅動，這溫度比以前的纖維受熱被觸發的溫度更低。

Li解釋說：“我們分析了聚合物纖維通過扭轉和盤繞發生如此顯著變化背后的機理。”據Li介紹，他們發現了兩種驅動因素：纖維驅動過程中的退捻性質和負熱膨脹系數（NCTE）。李和他的團隊開發的雙向形狀記憶聚合物（2W-SMP）纖維解決了這兩個問題。

當提到驅動手性結構彎曲和收縮的退捻，Li的團隊在分子層面關注這個問題。2W-SMP這種來自化學交聯的穩定分子網絡結構的可逆響應是十分理想的。網絡在纖維中提供定向的分子鏈，其熔融和再結晶引發纖維的記憶特性。

與標準纖維相比，可逆熔融/結晶轉變還提供了更好的熱膨脹性能，其驅動來自于熱存在（和熱去除時的松弛）狀態下聚合物組分的固有收縮。2W-SMP纖維展示出的熱膨脹/收縮比原來的纖維的NCTE高一個數量級。

通過解決這兩個問題，Li的團隊生產和測試了依次經過扭轉和盤繞的肌肉構型纖維，發現這樣的纖維具有更好的拉伸性能，同時他們還降低了驅動這些人造纖維所需的溫度。

Li說：“過去聚合物纖維的驅動溫度太高（甚至可能可以達到160攝氏度），對于像醫療設備這樣的應用來說，這樣的驅動溫度實在是太高了。所以你需要找到方法來降低它。”這恰恰是Li的團隊所做的工作，他們報道的最高驅動溫度是67℃。

當考慮到一系列與人的體溫有關的應用時（不僅僅是醫療器械，還包括透氣的紡織品和適應環境變化的自愈材料），較低的驅動溫度確實是十分重要的。

Li和他的團隊仍然面臨著纖維在具體應用時的性能以及纖維將熱能轉化為驅動能量的效率的挑戰，他們期待在將來的工作中能夠解決這些問題。一種可能的方法是將導電增強物（如碳納米管）與材料復合。

Li說：“我們的聚合物非常柔軟。所以通過加入一些補強物質例如碳納米管等等，有兩個好處。首先就是把它變成一個導體，這意味著我們用電觸發肌肉行為。另一個好處就是碳納米管會提高材料的剛性。”更高的剛度意味著纖維的儲能能力更強，這反過來也增加了能量轉換效率。

原文鏈接：Artificial Muscles Show More Flex.

文獻鏈接:?? Artificial muscles made of chiral two-way shape memory polymer fibers.

本文由編輯部丁菲菲提供素材，張雨編譯，丁琬芝審核，點我加入材料人編輯部。

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