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 【背景介紹】

如今，人們在智能紡織品的開發(fā)方面取得了不錯的進(jìn)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(diào)節(jié)等新型功能。對濕度響應(yīng)的紡織品可以通過調(diào)節(jié)宏觀形狀或孔隙率實現(xiàn)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(tǒng)紡織技術(shù)和纖維型人工肌肉相結(jié)合實現(xiàn)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(diào)節(jié)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(fù)雜、舒適性差等缺點。然而，蠶絲用作衣物已經(jīng)有上千年的歷史，是當(dāng)前一種重要的的紡織品，它穿著舒適。根據(jù)研究調(diào)查發(fā)現(xiàn)，目前還沒有報道關(guān)于利用天然纖維制成人工肌肉并用于智能織物領(lǐng)域。

【成果簡介】

最近，南開大學(xué)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(xué)修飾和添加劑，通過脫膠、加捻、合股、熱定型等工業(yè)化常用流程制作而成。該蠶絲人工肌肉在水霧和濕度驅(qū)動下實現(xiàn)了扭轉(zhuǎn)、拉伸、和收縮致動。為了不需要外界固定就能實現(xiàn)可逆驅(qū)動，作者開發(fā)了一種扭矩平衡的纖維結(jié)構(gòu)，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(xiàn)了自平衡。當(dāng)暴露在水霧中時，扭轉(zhuǎn)人工肌肉纖維實現(xiàn)了547^o mm^-1的完全可逆扭轉(zhuǎn)行程，非常的接近于濕度驅(qū)動的扭轉(zhuǎn)石墨烯纖維（588.6^o mm^-1）。當(dāng)相對濕度從20％變?yōu)?0％時，蠶絲伸縮肌肉的收縮率為70％。這種優(yōu)異的致動性是因為蠶絲纖維吸水后誘導(dǎo)蛋白內(nèi)氫鍵的損失和相關(guān)的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化，并且通過分子動力學(xué)模擬、X射線衍射、和宏觀表征得到證實。由于蠶絲應(yīng)用廣泛且具有優(yōu)異的穿戴舒適性、蠶絲人工肌肉的制作流程符合當(dāng)前工業(yè)化程序，不需要化學(xué)修飾和額外的添加劑，它將在工業(yè)應(yīng)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(fā)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(jié)構(gòu)與力學(xué)性能
（a）吸水前和吸水后的蠶絲蛋白結(jié)構(gòu)（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(yīng)力-應(yīng)變曲線；

（e）蠶絲纖維吸水動力學(xué)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(zhuǎn)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(zhuǎn)人工肌肉的SEM圖像。

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

（b）蠶絲扭轉(zhuǎn)肌肉循環(huán)穩(wěn)定性測試；

（c）扭轉(zhuǎn)角α和加捻密度之間的關(guān)系（黑色條：測量值，紅色條：計算值）；

（d）不同捻度的蠶絲扭轉(zhuǎn)肌肉的應(yīng)力-應(yīng)變曲線（25 ℃，10％RH）；

（e）不同加捻密度的蠶絲扭轉(zhuǎn)肌肉扭轉(zhuǎn)角隨時間變化曲線；

（f）最大轉(zhuǎn)速、扭轉(zhuǎn)角和往返速度比與蠶絲肌肉加捻密度的關(guān)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(dāng)濕度從20％變?yōu)?0％（黑色）、70％（紅色）和80％（藍(lán)色）時，ZS和ZZ肌肉的拉伸行程與彈簧指數(shù)的關(guān)系；

（e）ZS（紅色圓圈）和ZZ（藍(lán)色方塊）型蠶絲伸縮肌肉循環(huán)穩(wěn)定性測試（20％至60％）；

圖五、蠶絲人工肌肉的應(yīng)用
（a）水分驅(qū)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(huán)境中收縮并在干燥空氣中恢復(fù)到原始長度；

（d）智能服裝通過控制宏觀形狀或微觀結(jié)構(gòu)實現(xiàn)水分和熱管理。

【總結(jié)】

綜上所述，作者使用脫膠蠶絲纖維展示了水霧和濕度驅(qū)動的高性能蠶絲扭轉(zhuǎn)肌肉和蠶絲伸縮肌肉，并利用分子動力學(xué)模擬詳細(xì)研究了其機制。當(dāng)暴露在水霧中時，制造的蠶絲扭轉(zhuǎn)肌肉提供了547° mm^-1的完全可逆的扭轉(zhuǎn)行程。當(dāng)RH從20％變?yōu)?0％時，卷繞的蠶絲伸縮肌肉收縮率達(dá)70％，比有機溶劑驅(qū)動的卷繞CNT紗線肌肉（60％）要打，且最大做功能力達(dá)73 J/kg。通過分子動力學(xué)模擬發(fā)現(xiàn)，吸水導(dǎo)致蠶絲蛋白內(nèi)氫鍵的喪失，進(jìn)而導(dǎo)致蠶絲蛋白結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)化，提供了蠶絲肌肉驅(qū)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(yīng)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(yīng)用開辟更多的可能性。

文獻(xiàn)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