蘇州納米所邸江濤研究員等在變形織物驅(qū)動(dòng)器研究方面取得新進(jìn)展
智能主動(dòng)變形織物是一種新興的功能材料，在可穿戴織物中具有廣闊的應(yīng)用前景，例如可以自發(fā)調(diào)整形狀增加穿戴舒適度，或是作為助力設(shè)備幫助人類更輕松地提起重物。智能變形織物的運(yùn)動(dòng)可由多種方式觸發(fā)，其中由電化學(xué)離子觸發(fā)的變形織物與其它方式相比具備可控性好、變形程度大、電壓低、響應(yīng)快以及熱效應(yīng)不明顯等特點(diǎn)，在可穿戴設(shè)備中有重要的應(yīng)用潛力。然而開發(fā)電化學(xué)驅(qū)動(dòng)變形織物受到液態(tài)工作環(huán)境的約束，挑戰(zhàn)極大。
中國(guó)科學(xué)院蘇州納米所邸江濤等人最近報(bào)道了一種利用電化學(xué)驅(qū)動(dòng)仿生肌肉纖維編織而成的主動(dòng)變形織物。該織物具有驅(qū)動(dòng)電壓低和響應(yīng)速度快的特點(diǎn)，并且可以脫離液態(tài)環(huán)境在空氣中穩(wěn)定工作?？刂瓶椢镏械牟煌瑓^(qū)域纖維作動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)織物的整體及局部主動(dòng)變形。研究者初步展示了該電化學(xué)驅(qū)動(dòng)主動(dòng)變形織物在可穿戴助力織物中的應(yīng)用潛力。
以碳納米管（Carbon Nanotube,CNT）復(fù)合纖維作為仿生肌肉纖維的原材料。首先他們發(fā)展了仿生肌肉纖維的連續(xù)制備技術(shù)，通過(guò)控制不同階段中喂線、加捻與收卷等部分之間的相對(duì)速度，連續(xù)制得了米級(jí)長(zhǎng)度的芯-鞘復(fù)合CNT@nylon螺旋纖維（圖1a-f）。該纖維結(jié)構(gòu)均勻，且具有優(yōu)異的柔韌性與可編織性，在編織過(guò)程中螺旋結(jié)構(gòu)不被破壞（圖1g-i）。
圖１. 芯-鞘復(fù)合電化學(xué)仿生肌肉纖維的連續(xù)制備
起電化學(xué)驅(qū)動(dòng)活性作用的CNT分布在鞘層，處于纖維芯部的惰性高分子纖維起到了減少昂貴CNT用量的作用。具有芯-鞘結(jié)構(gòu)的CNT@nylon復(fù)合纖維為電化學(xué)離子提供了更大的比表面積以及更短的遷移路徑，這有利于離子在纖維內(nèi)部更多的注入與更快的遷移，CNT@nylon復(fù)合仿生肌肉纖維的驅(qū)動(dòng)量可以達(dá)到26.4%（圖2）。
圖2.?芯-鞘復(fù)合CNT@nylon仿生肌肉纖維的優(yōu)異驅(qū)動(dòng)性能
基于該仿生肌肉纖維，作者設(shè)計(jì)了一種可以在空氣環(huán)境穩(wěn)定工作的主動(dòng)變形織物。織物的結(jié)構(gòu)如圖3a所示，仿生肌肉纖維與輔助纖維平行編織在柔性織物上分別作為工作電極與對(duì)電極。為了防止織物變形過(guò)程中兩電極之間發(fā)生短路，兩纖維電極采用上下交錯(cuò)的編織方式?？椢镏欣w維內(nèi)以及纖維之間的微孔道結(jié)構(gòu)起到吸附并穩(wěn)定電解液的作用。在工作電極與對(duì)電極之間施加電壓，織物中電解液的離子遷入工作電極的CNT層進(jìn)而使得CNT@nylon纖維產(chǎn)生收縮驅(qū)動(dòng)。作者在織物中編織了多組纖維電極對(duì)，每組電極對(duì)可以單獨(dú)控制也可以協(xié)調(diào)控制不同電極對(duì)工作。因此，該織物既可以發(fā)生整體的收縮也可以發(fā)生局部的變形，具有較高的變形自由度，如圖3b-c所示。
圖3. 電化學(xué)變形織物的運(yùn)動(dòng)模式
研究者進(jìn)一步將該電化學(xué)驅(qū)動(dòng)主動(dòng)變形織物進(jìn)行封裝并評(píng)估了其作為可穿戴助力織物的應(yīng)用前景。經(jīng)過(guò)透明柔性薄膜封裝后的變形織物具有很高的柔韌性且不發(fā)生電解液泄露，其在志愿者手臂上工作時(shí)隨著電壓的施加發(fā)生明顯收縮，并且在工作過(guò)程中織物與手臂之間幾乎沒(méi)有溫差（圖4）。這表明該電化學(xué)變形織物具有可在空氣中工作、結(jié)構(gòu)靈活、運(yùn)動(dòng)模式可編程以及不產(chǎn)熱等重要特性，有望成為下一代可穿戴設(shè)備的候選材料。
圖4. 電化學(xué)變形織物作為可穿戴助力設(shè)備的應(yīng)用演示
該成果以Knittable Electrochemical Yarn Muscle for Morphing Textiles為題發(fā)表在ACS Nano上，并被期刊選為Supplementary Cover封面論文。論文第一作者為中國(guó)科學(xué)院蘇州納米所碩士生王曉波，通訊作者為任明博士和邸江濤研究員。該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金，國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃，中國(guó)博士后基金等項(xiàng)目的支持。
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