仿生肌肉纖維在外界刺激下能夠產(chǎn)生類生物肌肉的收縮運(yùn)動(dòng)，作為一種新型的驅(qū)動(dòng)器，有望推動(dòng)仿生軟體機(jī)器人、智能變翼飛行器、可穿戴及可植入醫(yī)療技術(shù)等方向的創(chuàng)新發(fā)展。螺旋仿生肌肉纖維憑借其獨(dú)特的驅(qū)動(dòng)放大結(jié)構(gòu)可以輸出優(yōu)異的驅(qū)動(dòng)性能。但在收縮前需要對(duì)螺旋仿生肌肉纖維施加張力將纖維相鄰的螺環(huán)分開為其收縮提供空間，而且其回復(fù)過程也需要相同的應(yīng)力將纖維拉回原長(zhǎng)，這導(dǎo)致在一個(gè)驅(qū)動(dòng)循環(huán)過程中螺旋仿生肌肉纖維的凈做功為零。
針對(duì)上述問題，中科院蘇州納米所李清文、邸江濤研究員等報(bào)道了一種無預(yù)應(yīng)力、可自回復(fù)并能高效循環(huán)做功的仿生肌肉纖維。該仿生肌肉纖維以碳納米管（CNT）纖維的彈性螺旋結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)回復(fù)，并利用液晶彈性體（LCE）的可逆相變產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)形變。所獲得的肌肉纖維表現(xiàn)出56.9%的可逆收縮量，1522%/s的收縮速率，7.03 kW kg−1的功率密度和32,000次的穩(wěn)定循環(huán)。
圖1. LCE/CNT復(fù)合纖維的制備與表征
通過連續(xù)的浸漬涂覆固化技術(shù)實(shí)現(xiàn)了復(fù)合纖維的連續(xù)制備，隨后進(jìn)行并股加捻得到螺旋纖維。其中，CNT纖維表面的溝道初步誘導(dǎo)了液晶分子的排列，加捻進(jìn)一步誘導(dǎo)液晶分子重排變?yōu)橄鄬?duì)有序的狀態(tài)，復(fù)合纖維在溫度刺激下產(chǎn)生形變。（圖1）
圖2. 纖維的結(jié)構(gòu)表征
經(jīng)過加捻的復(fù)合纖維表面的LCE從無序變?yōu)橛行?，偏光顯微鏡和WAXS的結(jié)果都證明了這一點(diǎn)，加捻后LCE的取向變好，取向因子增加，表明螺旋應(yīng)力有效誘導(dǎo)了液晶分子的排列（圖2）。
圖3. LCE/CNT螺旋纖維的電熱驅(qū)動(dòng)性能
目前文獻(xiàn)中報(bào)道的仿生肌肉纖維在收縮和恢復(fù)過程中都需要施加恒應(yīng)力（圖3a，循環(huán)Ⅰ），整個(gè)過程纖維的凈做功為零。本工作開發(fā)的纖維在通電時(shí)收縮提起負(fù)載，斷電后無需負(fù)載回復(fù)到原長(zhǎng)（圖3a，循環(huán)Ⅱ），纖維的凈做功大于零。該有效做功特性對(duì)于仿生肌肉纖維的應(yīng)用具有重要意義。對(duì)復(fù)合纖維加捻使得LCE在CNT溝槽中沿著CNT取向形成液晶態(tài)。在電熱的作用下液晶高分子鏈的剛性棒向無序相轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致相鄰碳納米管受到應(yīng)力而解捻，進(jìn)而產(chǎn)生收縮驅(qū)動(dòng)。在電熱驅(qū)動(dòng)訓(xùn)練過程中復(fù)合纖維中的CNT纖維骨架被加工成具有螺環(huán)張開且扭矩平衡的結(jié)構(gòu)，纖維受熱收縮會(huì)對(duì)CNT纖維骨架壓縮進(jìn)而儲(chǔ)存了彈性勢(shì)能。斷電后彈性勢(shì)能的釋放使得復(fù)合纖維恢復(fù)到原來大螺距、扭矩平衡的結(jié)構(gòu)。這說明本工作中報(bào)道的仿生肌肉纖維的回復(fù)不需要外力輔助。因此該仿生肌肉纖維實(shí)現(xiàn)了有效循環(huán)做功。復(fù)合仿生肌肉纖維的驅(qū)動(dòng)量高達(dá)56.9%，最大做功能力為2.11 J/g，與文獻(xiàn)中報(bào)道的LCE纖維驅(qū)動(dòng)器相比，該纖維做功能力處于最大值。在自恢復(fù)模式下，纖維循環(huán)32,000圈后驅(qū)動(dòng)性能依然保持良好，具有優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。（圖3）
圖4. LCE/CNT螺旋纖維的應(yīng)用演示
基于LCE/CNT螺旋纖維優(yōu)異的驅(qū)動(dòng)性能及自恢復(fù)特性。研究團(tuán)隊(duì)將這種高性能的仿生肌肉纖維作為驅(qū)動(dòng)單元與機(jī)械結(jié)構(gòu)結(jié)合起來，演示了其在類內(nèi)窺鏡上的作用，可以實(shí)現(xiàn)內(nèi)窺鏡鏡頭的三向彎曲。進(jìn)一步將纖維集束與仿生手臂結(jié)合，模仿人的手臂實(shí)現(xiàn)了拉車的動(dòng)作。此外，基于纖維的快速響應(yīng)特性，利用其瞬間的爆發(fā)力，纖維在機(jī)械爬蟲及踢足球場(chǎng)景下都具有一定的應(yīng)用潛力。（圖4）
相關(guān)工作以Pretension-Free and Self-Recoverable Coiled Artificial Muscle Fibers with Powerful Cyclic Work Capability為題發(fā)表在ACS Nano上。論文第一作者為中科院蘇州納米所碩士生崔波，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(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的支持。
論文鏈接：https://doi.org/10.1021/acsnano.3c03942
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