近年來，材料科學(xué)家設(shè)計了一系列可用于創(chuàng)造新技術(shù)的創(chuàng)新材料，包括軟機器人、控制器和智能紡織品。這些材料包括人造肌肉，形狀類似于生物肌肉的結(jié)構(gòu)，可以改善機器人的運動或制造適應(yīng)不同環(huán)境條件的服裝。

作為正在進行的以紡織品為基礎(chǔ)的軟致動器項目的一部分，中國江南大學(xué)的一組研究人員最近開發(fā)了基于獨立單螺旋羊毛紗線的新型人造肌肉。他們在Smart Materials and Structures上發(fā)表的一篇論文中介紹了他們的人造肌肉，可用于輕松且經(jīng)濟地生產(chǎn)可以檢測和響應(yīng)環(huán)境中的濕度的扭曲致動器。

“我們正在嘗試通過利用紡織品的層次結(jié)構(gòu)設(shè)計來設(shè)計靈活和多功能的執(zhí)行器，從微觀尺度(例如，分子鏈和聚集結(jié)構(gòu))到宏觀尺度(例如，纖維形態(tài)和紡織品結(jié)構(gòu))，”孫豐新，其中一位進行這項研究的研究人員告訴 Tech Xplore。“通過環(huán)保且易于制造的制造工藝實現(xiàn)具有獨立式和單螺旋結(jié)構(gòu)的基于紗線的人造肌肉仍然具有挑戰(zhàn)性。”

Sun 和他的同事最近工作的主要目標(biāo)是克服在設(shè)計基于紗線(即細(xì)紗)的人造肌肉時面臨的一些常見挑戰(zhàn)。最值得注意的是，過去的研究表明，在不使用有害化學(xué)物質(zhì)或工藝的情況下，可靠地加捻紗線以創(chuàng)建獨立的人造肌肉結(jié)構(gòu)絕非易事。

然而，江南大學(xué)的研究人員能夠確定一種環(huán)保的處理策略，以可靠地生產(chǎn)基于單螺旋紗線的肌肉。他們的制造方法基于紫外線照射和等離子蝕刻的結(jié)合，這是一種常用于生產(chǎn)集成電路的等離子處理技術(shù)。

這種加工技術(shù)可以限制羊毛纖維的能量耗散，從而提高人造肌肉的驅(qū)動性能。此外，它有效、可擴展且易于實施，因此非常適合在工業(yè)水平上制造這些類似肌肉的結(jié)構(gòu)。

“我們創(chuàng)造的羊毛紗線人造肌肉在交替暴露于潮濕和干燥環(huán)境時會顯示出可逆的扭轉(zhuǎn)驅(qū)動，”孫解釋說。“由于高度加捻的羊毛的吸濕膨脹增強，紗線肌肉在潤濕時表現(xiàn)出令人印象深刻的扭轉(zhuǎn)驅(qū)動。由重整的二硫化物網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的羊毛中的固化螺旋形態(tài)賦予羊毛紗線以‘形狀記憶效應(yīng)’。 '"

由于研究人員使用了獨特的設(shè)計和制造方法，構(gòu)成其人造肌肉結(jié)構(gòu)的紗線在干燥后可以恢復(fù)其原始的螺旋形狀，而無需集成外部彈簧。在最初的測試中，基于單螺旋紗線的肌肉表現(xiàn)出可逆和濕度感應(yīng)驅(qū)動，以及具有較低能量耗散的高濕度驅(qū)動性能。

值得注意的是，孫和他的同事采用的制造工藝也是環(huán)保的，因為它不需要任何化學(xué)和有毒添加劑。由于他們的人造肌肉是由羊毛制成的，羊毛本質(zhì)上是可生物降解和可再生的，它們可以用來創(chuàng)造更可持續(xù)的技術(shù)和智能紡織品。

“單螺旋結(jié)構(gòu)通常被認(rèn)為是不穩(wěn)定的，并且在沒有外部扭轉(zhuǎn)束縛的情況下容易解捻，但我們在這里利用羊毛螺旋結(jié)構(gòu)狀態(tài)下重組二硫鍵的內(nèi)部束縛效應(yīng)，通過紫外線穩(wěn)定紗線肌肉中插入的捻度光照和自動氧化，”孫說。“這種策略完全環(huán)保，大大提高了毛紗肌肉的驅(qū)動性能。”

未來，這組研究人員最近的工作可能會激發(fā)開發(fā)新的基于紗線的執(zhí)行器和用于機器人的人造肌肉，這些執(zhí)行器可以以合理的成本可持續(xù)地大規(guī)模生產(chǎn)。此外，他們生產(chǎn)的單螺旋毛紗可用于制造舒適、透氣、無毒、親膚的紡織品，用于智能服裝、智能野營裝備和其他智能紡織產(chǎn)品。

“在我們下一階段的研究中，我們將探索人造肌肉的工業(yè)制造路線，實現(xiàn)其量產(chǎn)，并推動技術(shù)創(chuàng)新，以實現(xiàn)紗線肌肉在智能紡織品中的商業(yè)應(yīng)用，”孫補充道。“想象一件襯衫，紗線可以通過智能切換織物上的氣墊來適應(yīng)不同的天氣條件，這將是令人著迷的。我們希望這種衣服能夠以低成本在我們的日常生活中出現(xiàn)。”

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