聚合物纤维开启人造肌肉新篇章

欧洲足球赛事 注：人造肌肉最理想的状态就是和真的手臂一样灵活灵敏，但是其中的纤维激发拉伸和弹性能力却一直表现不佳。路易斯安那州立大学（Louisiana State University）的研究团队找到了方法。想象一下，再平常不过的扭转和盘绕，当它们遇到聚合物纤维，又会迸发出怎样的火花？开发方法中最平常的扭转揭示了聚合物纤维的拉伸和弹性能力，一旦将它们扭转并盘绕成弹簧形状，人造肌肉的性能将取得显著的增益。就像黄瓜爬藤那样，当纤维收缩时，独特的几何学使线圈（类似弹簧）发生弯曲运动，该运动可由热进行控制。现在，研究人员通过关注纤维材料的热性能以及充分利用手性结构的分子结构，实现了纤维拉伸性能的进一步提升。

在本周Applied Physics Letters的封面文章中，路易斯安那州立大学机械工程系（Department of Mechanical and Industrial Engineering at Louisiana State University）的Guoqiang Li和他的团队阐述了他们开发一种新纤维的过程，这种纤维具有较高的拉伸行程，且当温度超过100℃时它可以被触发或驱动，这温度比以前的纤维受热被触发的温度更低。

Li解释说：“我们分析了聚合物纤维通过扭转和盘绕发生如此显著变化背后的机理。”据Li介绍，他们发现了两种驱动因素：纤维驱动过程中的退捻性质和负热膨胀系数（NCTE）。李和他的团队开发的双向形状记忆聚合物（2W-SMP）纤维解决了这两个问题。

当提到驱动手性结构弯曲和收缩的退捻，Li的团队在分子层面关注这个问题。2W-SMP这种来自化学交联的稳定分子网络结构的可逆响应是十分理想的。网络在纤维中提供定向的分子链，其熔融和再结晶引发纤维的记忆特性。

与标准纤维相比，可逆熔融/结晶转变还提供了更好的热膨胀性能，其驱动来自于热存在（和热去除时的松弛）状态下聚合物组分的固有收缩。2W-SMP纤维展示出的热膨胀/收缩比原来的纤维的NCTE高一个数量级。

通过解决这两个问题，Li的团队生产和测试了依次经过扭转和盘绕的肌肉构型纤维，发现这样的纤维具有更好的拉伸性能，同时他们还降低了驱动这些人造纤维所需的温度。

Li说：“过去聚合物纤维的驱动温度太高（甚至可能可以达到160摄氏度），对于像医疗设备这样的应用来说，这样的驱动温度实在是太高了。所以你需要找到方法来降低它。”这恰恰是Li的团队所做的工作，他们报道的最高驱动温度是67℃。

当考虑到一系列与人的体温有关的应用时（不仅仅是医疗器械，还包括透气的纺织品和适应环境变化的自愈材料），较低的驱动温度确实是十分重要的。

Li和他的团队仍然面临着纤维在具体应用时的性能以及纤维将热能转化为驱动能量的效率的挑战，他们期待在将来的工作中能够解决这些问题。一种可能的方法是将导电增强物（如碳纳米管）与材料复合。

Li说：“我们的聚合物非常柔软。所以通过加入一些补强物质例如碳纳米管等等，有两个好处。首先就是把它变成一个导体，这意味着我们用电触发肌肉行为。另一个好处就是碳纳米管会提高材料的刚性。”更高的刚度意味着纤维的储能能力更强，这反过来也增加了能量转换效率。

原文链接：Artificial Muscles Show More Flex.

文献链接:Artificial muscles made of chiral two-way shape memory polymer fibers.

本文由编辑部丁菲菲提供素材，张雨编译，丁琬芝审核，点我加入材料人编辑部。

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