南开大学 刘遵峰团队 AFM: 纯蚕丝制成的人工肌肉和湿度调节的智能服装、绿色无添加剂

【背景介绍】

如今，人们在智能纺织品的开发方面取得了不错的进展，制造出来的纺织品还具有能量储存、自清洁、颜色变化、温度和湿度调节等新型功能。对湿度响应的纺织品可以通过调节宏观形状或孔隙率实现水分和热量管理，引起了研究人员的极大兴趣。这样的纺织品可以为人们提供更多的舒适性，具有巨大的市场价值。

将传统纺织技术和纤维型人工肌肉相结合实现纺织品智能功能的方法之一。虽然碳纳米管、石墨烯、聚乙烯、尼龙等纤维材料已被报道用于制备人工肌肉纤维，但是这些材料很难用作调节湿度和体温的智能纺织品，因为这些材料具有造价昂贵、制造过程复杂、舒适性差等缺点。然而，蚕丝用作衣物已经有上千年的历史，是当前一种重要的的纺织品，它穿着舒适。根据研究调查发现，目前还没有报道关于利用天然纤维制成人工肌肉并用于智能织物领域。

【成果简介】

最近，南开大学的刘遵峰教授（独立通讯作者）团队等报道了使用纯蚕丝纤维制作了人工肌肉纤维，不使用化学修饰和添加剂，通过脱胶、加捻、合股、热定型等工业化常用流程制作而成。该蚕丝人工肌肉在水雾和湿度驱动下实现了扭转、拉伸、和收缩致动。为了不需要外界固定就能实现可逆驱动，作者开发了一种扭矩平衡的纤维结构，通过将扭曲的纤维对折，合股，（通过在中间点对折）而使得蚕丝纤维实现了自平衡。当暴露在水雾中时，扭转人工肌肉纤维实现了547^o mm^-1的完全可逆扭转行程，非常的接近于湿度驱动的扭转石墨烯纤维（588.6^o mm^-1）。当相对湿度从20％变为80％时，蚕丝伸缩肌肉的收缩率为70％。这种优异的致动性是因为蚕丝纤维吸水后诱导蛋白内氢键的损失和相关的结构转化，并且通过分子动力学模拟、X射线衍射、和宏观表征得到证实。由于蚕丝应用广泛且具有优异的穿戴舒适性、蚕丝人工肌肉的制作流程符合当前工业化程序，不需要化学修饰和额外的添加剂，它将在工业应用中将会开辟更多的可能性，例如智能纺织品和柔性机器人。研究成果以题为“Moisture Sensitive Smart Yarns and Textiles from Self-Balanced Silk Fiber Muscles”发布在国际著名期刊Adv. Funct. Mater.上。论文独立通讯作者为刘遵峰教授，第一作者为16级硕士研究生贾天娇。

【图文解读】

图一、蚕丝蛋白的结构与力学性能
（a）吸水前和吸水后的蚕丝蛋白结构（pdb ID为3UA0）；

（b, c）蚕丝蛋白吸收水之前（b）和之后（c）的X射线衍射图；

（d）室温下，不同湿度下的蚕丝纤维的应力-应变曲线；

（e）蚕丝纤维吸水动力学曲线。

图二、加捻蚕丝纤维人工肌肉的制备
（a）自平衡蚕丝扭转人工肌肉的制备示意图；

（b, c）非加捻（b）和加捻（c）蚕丝纤维的SEM图像；

（d, e）包含一根（d）和三根（e）蚕丝的蚕丝扭转人工肌肉的SEM图像。

图三、蚕丝扭转人工肌肉的性能
（a）水雾驱动下，蚕丝扭转肌肉的扭转角和转速随时间的变化曲线；

（b）蚕丝扭转肌肉循环稳定性测试；

（c）扭转角α和加捻密度之间的关系（黑色条：测量值，红色条：计算值）；

（d）不同捻度的蚕丝扭转肌肉的应力-应变曲线（25 ℃，10％RH）；

（e）不同加捻密度的蚕丝扭转肌肉扭转角随时间变化曲线；

（f）最大转速、扭转角和往返速度比与蚕丝肌肉加捻密度的关系。

图四、蚕丝伸缩肌肉的制备与性能
（a）蚕丝伸缩肌肉示意图；

（b）不同湿度下，异手性（ZS）和同手性（ZZ）蚕丝伸缩肌肉的拉伸行程；

（c）具有不同加捻的蚕丝伸缩肌肉在不同湿度下的拉伸行程（相对于20％湿度下的肌肉长度）；

（d）当湿度从20％变为60％（黑色）、70％（红色）和80％（蓝色）时，ZS和ZZ肌肉的拉伸行程与弹簧指数的关系；

（e）ZS（红色圆圈）和ZZ（蓝色方块）型蚕丝伸缩肌肉循环稳定性测试（20％至60％）；

图五、蚕丝人工肌肉的应用
（a）水分驱动的机器人“毛毛虫”在纤维上行走；

（b）由蚕丝伸缩肌肉编织的具有不同的编织密度的纺织品；

（c）智能衣服的袖子在潮湿环境中收缩并在干燥空气中恢复到原始长度；

（d）智能服装通过控制宏观形状或微观结构实现水分和热管理。

【总结】

综上所述，作者使用脱胶蚕丝纤维展示了水雾和湿度驱动的高性能蚕丝扭转肌肉和蚕丝伸缩肌肉，并利用分子动力学模拟详细研究了其机制。当暴露在水雾中时，制造的蚕丝扭转肌肉提供了547° mm^-1的完全可逆的扭转行程。当RH从20％变为80％时，卷绕的蚕丝伸缩肌肉收缩率达70％，比有机溶剂驱动的卷绕CNT纱线肌肉（60％）要打，且最大做功能力达73 J/kg。通过分子动力学模拟发现，吸水导致蚕丝蛋白内氢键的丧失，进而导致蚕丝蛋白结构的转化，提供了蚕丝肌肉驱动的基本机制。此外，作者还展示了蚕丝人工肌肉作为步行机器人（毛毛虫）和湿度敏感的智能纺织品的应用。由于蚕丝纤维原料非常丰富且具有高的成本效益，蚕丝人工肌肉将为智能纺织品和软体机器人等各种应用开辟更多的可能性。

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

Movie S1链接：

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

Movie S2链接：

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

Movie S3链接：

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

通讯作者简介

刘遵峰教授，就职于南开大学，药物化学生物学国家重点实验室。研究领域为柔性智能材料。2008年毕业于南开大学化学学院，先后于荷兰莱顿大学、美国德克萨斯州立大学达拉斯分校留学，2016年入职南开大学。目前共发表SCI论文50余篇，总计他人引用6000 次。其中以第一作者或通讯作者在Science, Adv. Mater., Adv. Funct. Mater.等国际学术SCI期刊上发表研究论文20余篇。其中2015年度发表在《Science》上关于“褶皱结构”弹性导体的研究工作被美国《Discover Magazine》评选为2015年度全球TOP100重大科学发现。

刘遵峰教授网站：www.liuzunfeng.com

研究简介：

“可变形结构”柔性智能材料及可穿戴设备的研究，采用“形变诱导”方法，构筑了“多级褶皱”结构的弹性导体，克服了大形变下导电层的横向断裂问题，显著提高了弹性导体的电阻稳定性。该方法的突破性进展，迅速带动了相关领域的发展。通过合理构筑“褶皱”结构，实现了对电阻、电容等性质在大形变下的调控，构筑了电容型和电阻型柔性应变传感器，可以满足在大形变下正常工作，为可穿戴设备和实时健康监测提供了新的方案。开发的应用包括心脏起搏器导线、旋转式人工肌肉纤维、可穿戴葡萄糖传感器、可膨胀肿瘤热疗电极、可穿戴呼吸监测、步态监测、电容型体积传感器、柔性可穿戴天线、可拉伸电磁屏蔽和电磁波吸收薄膜等。

相关代表性论文发表在：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。

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