蚕丝“人工肌肉”让智能织物更舒适

作者:科技材料

蚕丝“人工肌肉”让智能织物更舒适

刘遵峰团队利用天然纯蚕丝制备了一种新型的“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、热定型等常规工业流程制作获得。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。

将传统纺织技术和纤维型人工肌肉相结合,是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,主要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,难以进行商业化。

刘遵峰称,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,预计它将在工业应用中开辟更多的可能性,例如智能纺织品和柔性机器人。

为了不需要外界固定就能实现可逆驱动,刘遵峰团队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,使得蚕丝纤维实现了自平衡。刘遵峰还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。

记者在该实验室看到,研究人员用蚕丝伸缩肌肉编织了一件玩偶大小的智能上衣,实现了环境湿度增加时,智能上衣的衣袖长度收缩至原长度的一半;湿度下降时又恢复如初。这种水分敏感的纺织品,可以通过改变宏观形状非常有效地实现水分和热量的管理功能。

当前,人们在智能纺织品的开发方面已经取得了不错的进展,制造出来的纺织品具有能量储存、自清洁、颜色变化、温度和湿度调节等多种新型功能。但智能织物的相关研究并不满足于此。

2019年3月14日,南开大学药物化学生物学国家重点实验室刘遵峰教授团队研获了一种绿色环保的纯蚕丝“人工肌肉”,可通过感知湿度实现自动伸缩。这种新型“人造肌肉”,不仅可以用于智能织物,在柔软机器人研发领域也将大有可为。介绍该成果的论文日前发表于材料领域国际权威期刊《先进功能材料》(AdvancedFunctionalMaterials)上。

据介绍,当暴露在水雾中时,制造的蚕丝扭转人工肌肉纤维实现了547o mm-1的完全可逆扭转行程,非常接近于湿度驱动的扭转石墨烯纤维。当相对湿度从20%变为80%时,卷绕的蚕丝伸缩肌肉的收缩率为70%,比有机溶剂驱动的卷绕CNT纱线肌肉还要大,且最大做功能力达73 J/kg。

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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又符合当前工业化程序,不需要化学修饰和额外的添加剂,它将在工业应用中开辟更多的可能性,例如智能纺织品和柔性机器人。

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对此,研究人员就展示了一种由同手性蚕丝拉伸肌肉编织而成的对湿度敏感的智能织物,织物袖子的经纱方向为同手性蚕丝拉伸肌肉,纬纱方向为未加捻的蚕丝纤维。当由于汗水或潮湿环境导致湿度增加时,智能织物的袖子沿经纱方向收缩,然后在湿度下降时恢复原长。例如在运动的过程中,身体在出汗的情况下,衣服自动缩短成短袖短裤,便于排热排汗;身体干燥时,衣服变长以实现保暖性。

将传统纺织技术和纤维型“人工肌肉”相结合是获得智能纺织品的方法之一。研究人员介绍,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、工艺复杂、舒适性差等缺点。

湿度增加后,蚕丝人工肌肉纤维编织的玩偶上衣衣袖缩短至一半,湿度降低后复原。

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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。刘遵峰说。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变化,提供了蚕丝肌肉驱动的基本机制。

为了不需要外界固定就能实现可逆驱动,刘遵峰团队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,使得蚕丝纤维实现了自平衡。

相关研究论文日前发表于材料领域国际权威期刊《先进功能材料》上。

正值季节变换,当你跑步的时候,穿短袖太冷,穿长袖太热,如果有一种服饰,能够根据体温、湿度自动调节长度,当身体出汗时,长袖变为短袖,汗干之后又恢复如初,那将多么神奇。如今,这种酷炫的智能织物有望成为现实。

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