$天奈科技(SH688116)$ 单壁碳纳米管纤维应用之机器人人工肌肉
资料来源：天奈科技与中科院苏州纳米所
视频关键词：搜索关键词“波兰Clone”（温馨提示：内容惊悚，胆小者慎重）
一、研究背景：人造肌肉纤维，如碳纳米管（CNT）纤维、石墨烯纤维或各种合成聚合物纤维和天然纤维，在受到外部刺激时可以表现得像骨骼肌纤维一样产生可逆的收缩或旋转。其驱动机理主要基于人造肌纱中分子链的排列顺序变化或客体材料与仿生肌肉纤维之间的相互作用。由于其结构柔韧性、柔软性和高致动性能，仿生肌肉纤维被认为是可穿戴软外骨骼、智能机器人、植入式医疗、沉浸式交互等应用的有力候选者。在考虑其实际应用时，通常需要将仿生肌肉纤维捆绑或编织成变形纺织品，因为单个肌肉纱线产生的力太低，无法满足实际要求。与传统的变形膜相比，用仿生肌肉纤维编织的变形纺织品可以更好地控制变形细节，提供柔韧性、可变变形、对刺激的响应性和增强的耐用性。
二、文章简介：近日，苏州纳米所邸江涛团队报道了一种利用电化学驱动仿生肌肉纤维编织而成的主动变形织物。该织物具有驱动电压低和响应速度快的特点，并且可以脱离液态环境在空气中稳定工作。控制织物中的不同区域纤维作动，可以实现织物的整体及局部主动变形。研究者初步展示了该电化学驱动主动变形织物在可穿戴助力织物中的应用潜力。相关成果发表在ACS Nano上。本文第一作者为中国科学院苏州纳米所硕士生王晓波，通讯作者为任明博士和邸江涛研究员。
三、研究内容：以碳纳米管（Carbon Nanotube,CNT）复合纤维作为仿生肌肉纤维的原材料。首先他们发展了仿生肌肉纤维的连续制备技术，通过控制不同阶段中喂线、加捻与收卷等部分之间的相对速度，连续制得了米级长度的芯-鞘复合CNTnylon螺旋纤维（图1a-f）。该纤维结构均匀，且具有优异的柔韧性与可编织性，在编织过程中螺旋结构不被破坏（图1g-i）。图１. 芯-鞘复合电化学仿生肌肉纤维的连续制备。起电化学驱动活性作用的CNT分布在鞘层，处于纤维芯部的惰性高分子纤维起到了减少昂贵CNT用量的作用。具有芯-鞘结构的CNTnylon复合纤维为电化学离子提供了更大的比表面积以及更短的迁移路径，这有利于离子在纤维内部更多的注入与更快的迁移，CNTnylon复合仿生肌肉纤维的驱动量可以达到26.4%（图2）。图2. 芯-鞘复合CNTnylon仿生肌肉纤维的优异驱动性能。基于该仿生肌肉纤维，作者设计了一种可以在空气环境稳定工作的主动变形织物（图3a），仿生肌肉纤维与辅助纤维平行编织在柔性织物上分别作为工作电极与对电极。为了防止织物变形过程中两电极之间发生短路，两纤维电极采用上下交错的编织方式。织物中纤维内以及纤维之间的微孔道结构起到吸附并稳定电解液的作用。在工作电极与对电极之间施加电压，织物中电解液的离子迁入工作电极的CNT层进而使得CNTnylon纤维产生收缩驱动。作者在织物中编织了多组纤维电极对，每组电极对可以单独控制也可以协调控制不同电极对工作。因此，该织物既可以发生整体的收缩也可以发生局部的变形，具有较高的变形自由度（图3b-c)。图3. 电化学变形织物的运动模式。研究者进一步将该电化学驱动主动变形织物进行封装并评估了其作为可穿戴助力织物的应用前景。经过透明柔性薄膜封装后的变形织物具有很高的柔韧性且不发生电解液泄露，其在志愿者手臂上工作时随着电压的施加发生明显收缩，并且在工作过程中织物与手臂之间几乎没有温差（图4）。这表明该电化学变形织物具有可在空气中工作、结构灵活、运动模式可编程以及不产热等重要特性，有望成为下一代可穿戴设备的候选材料。图4. 电化学变形织物作为可穿戴助力设备的应用演示。
四、结论：综上所述，开发了可针织CNTnylon同轴人造肌肉纱的连续纺丝，利用人造肌肉纱制备了一种驱动电压低、气动能力强、结构柔韧性好、加热效应小的电化学驱动变形纺织品。使用尼龙纤维作为相对刚性的支架芯，便于CNT带的连续缠绕，降低了人造肌肉的成本。即使与直接从CNT带纺出的原始CNT纱线相比，数米长的卷绕人造肌肉纱线也显示出很高的致动性能。这可以通过CNTnylon同轴人造肌肉纱线的碳纳米管和电解质之间的接触面积增加来解释。毫米长人造肌肉纱线的连续制备为针织电化学变形纺织品提供了足够的基石。利用柔软的织物作为人造肌肉纱线的支架，克服了几个存在的问题，这些问题阻碍了在没有大量电解质环境的情况下应用电化学人造肌肉纱线。进一步优化人造肌肉纱线和纺织结构的致动性能，可以加速电化学变形纺织品在下一代可穿戴软外骨骼、智能机器人、植入式医疗、沉浸式交互等方面的应用。
五、致谢：该工作得到了国家自然科学基金，国家重点研发计划，中国博士后基金等项目的支持