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      2. 蘇州納米所李清文團隊在大行程、快響應仿生驅動纖維研究方面取得新進展

          仿生人工肌肉纖維可在外部刺激如電壓、電流、溫度、壓力、光線、濕度等的作用下產生可逆的收縮、轉動等類生物肌肉形變響應,該材料在軟體機器人、假肢、外骨骼及溫度調節服等多方面有重要的應用前景。近些年,仿生人工肌肉纖維的發展備受關注,是智能材料領域研究熱點。電化學離子驅動Electrochemical ion pumping actuation)具有驅動電壓低、無明顯熱效應、易于精確控制等優點。然而目前發展的仿生人工肌肉纖維結構與電化學離子驅動的匹配性較差,導致驅動量低、響應速度慢等問題。主要體現在,纖維的捻角由外到內逐漸減小,中間無捻度紗線起不到驅動效果;另一方面,纖維的加捻結構過于致密,不利于電解質離子的嵌入和脫出。 

          為了解決上述問題,中科院蘇州納米所李清文團隊提出了一種高捻度貫穿的碳納米管(CNT纖維來提高電化學仿生肌肉纖維的驅動量和響應速率 

             1. 電化學驅動高捻貫穿人工肌肉紗線的驅動機理示意圖 

          與先前報道的螺旋CNT紗線肌肉不同從表面到中心,其捻角逐漸減小為零,即使在肌肉紗線中心附近,組成紗線的CNT纖維仍保持高捻度(1b),這確保紗線整體均可產生有效的驅動。此外,在高捻度的紗線肌肉中實現了多級結構,多級孔道結構促進了離子的嵌入和脫出(1a,c,d)兩者的協同作用,共同提高電化學驅動紗線肌肉的驅動性能。 

             2. a. 人工肌肉紗線的驅動量與電壓之間的關系;b. 4股多級紗線肌肉的驅動量與電壓之間的關系;c. 人工肌肉纖維的驅動量與注入電荷之間的關系;d. 循環穩定性 

          當以電化學方式驅動時,紗線肌產生超大的收縮3 V驅動電壓下驅動量超60%,同時在短時間內舉起重物,性能優于文獻兩種類型的紗線肌肉的電荷注入量與拉伸收縮之間的關系(圖2c)表明,在相同的注入電荷量下,四股高捻貫穿紗線肌肉產生的拉伸收縮比四股融合紗線肌肉高得多。這表明四股高捻貫穿紗線肌肉的結構可更加有效地將離子嵌入引起的體積變化轉化為伸縮驅動。此外,收縮驅動量與施加電壓呈線性相關(2a,b),可通過施加電壓對人工肌肉紗線進行精確和可編程控制。紗線肌肉還顯示出長期穩定性,在循環4500圈后,驅動保留率仍大于97%(2d) 

             3. 四股集束人工肌肉紗線 

          該團隊進一步證實了多股人工肌肉纖維集束的可能性,多股紗線集束大大增加了力的輸出,可提升更重的重物,并且驅動量沒有明顯的下降(圖3)。為了促進人工肌肉紗線的實際應用,該團隊通過在碳納米管纖維表面原位靜電紡絲一層薄而多孔的聚丙烯腈納米纖維作為隔膜及電解質層,成功制備了全固態紗線肌肉。該全固態人工肌肉可在空氣中穩定的驅動,驅動量仍然達到18% 

          低驅動電壓、可編程收縮驅動以及大驅動量輸出可大大拓寬此類人工肌肉纖維的應用范圍。此外,這種具有多孔道的高捻度結構設計同樣可適于制備由其他驅動方法驅動的新型紗線肌肉。 

          該研究成果以High-Twist-Pervaded Electrochemical Yarn Muscles with Ultralarge and Fast Contractile Actuations為題發表在Materials Horizons上(DOI10.1039/D0MH01352H,文章鏈接https://doi.org/10.1039/D0MH01352H)。論文第一作者是中科院蘇州納米所博士生王玉蓮,通訊作者為邸江濤研究員和李清文研究員。該工作得到了國家自然科學基金(21975281 2177329321603264)、國家重點研發計劃(2016YFA0203301)等科研項目的支持。 


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