东华大学王宏志教授课题组 Adv. Mater.：可在空气中操控的电致变色人工肌肉纤维

2023-11-08 来源：高分子科技

自然界中的许多生物，包括章鱼、墨鱼、安第斯雨蛙等，它们不仅能像变色龙一样快速适应周围环境的颜色，而且能可逆地改变自身的纹理或姿势以适应环境，从而表现出更加复杂的姿态、伪装能力。人造肌肉被认为是这些生物体能够实现其纹理或姿势可逆变化的方式之一，可以模仿生命系统的复杂运动，与真实肌肉相比提供更高的输出能量。然而，电化学离子注入驱动的人造肌肉存在致动特性单一、难以在空气中稳定运行的问题，阻碍了其未来发展。受人体肌肉的运动机理启发（图1），东华大学王宏志课题组基于前期在氧化钨纳米线（W₁₈O₄₉ NWs）、氧化钒纳米线（V₂O₅ NWs）电致变色致动器上的工作积累。选用碳管纱线（CNTF）作为导电核层材料，具有较高长径比的V₂O₅ NWs作为鞘层活性材料，构筑V₂O₅ NWs/CNTF核鞘结构多功能纱线。利用湿法缠绕、湿法加捻，构筑得到具有致动变色双响应的多功能纤维（图2a-b）。+4 V电压驱动下，螺旋结构电致变色人工肌肉纤维最大收缩幅度可达到17.9%，颜色可以在黄色-黄绿色-蓝灰色之间可逆转变，反射率对比度高达53.9%，显示出良好的致动和变色性能（图2b，人工肌肉变色驱动机理）。

图1. 人体肌肉的驱动机理示意图。

图2. V₂O₅ NWs/SWCNTs核鞘多功能纱线的制备及变色变形双响应机理。

为了构筑可以在空气中稳定运行的电致变色人工肌肉（EAM），创新性地提出了热浇筑快速冷却的电解质成型方法（图3a），在特定电压刺激下，EAM可以在空气中稳定运行，并发生较大的收缩变形（收缩形变12%）和可逆的颜色变化（反射率对比度变化为50.1%）。此外，进行器件结构的可编程设计，获得了具有不同颜色组合的EAM（图3f-i，图4）。

图3. EAM 的多功能性能和结构设计。可在空气中操控的电致变色人工肌肉器件结构示意图及多功能可编程设计示意图。

图4. 单根电致变色人工肌肉纱线驱动单根电致变色人工肌肉纱线演示视频；单根碳管纱线驱动多根电致变色人工肌肉纱线演示视频。

基于COMSOL、ABAQUS软件的模拟结果（图5a-b），构筑了环形排布结构的EAM，该器件在空气中具有力学输出大、响应速度快等优点。利用环形排布结构的EAM构建了人工假肢外骨骼，在电化学驱动下，可同时发生致动和可逆的颜色变化（图5c，图6）。

图5. 不同排布方式的电致变色人工肌肉的力学电学模拟；环形排布的电致变色人工肌肉被应用于人工假肢外骨骼的性能表征及演示实验。

图6. 环形排布的电致变色人工肌肉被应用于人工假肢外骨骼的演示视频。

相关工作以“Air-Working Electrochromic Artificial Muscles”为题发表在Advanced Materials（DOI: 10.1002/adma.202305914）上，东华大学博士生凌勇为第一作者，李克睿研究员、李耀刚教授、王宏志教授为论文共同通讯作者。

原文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202305914

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（责任编辑：xu）

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