东华大学熊佳庆课题组 ACS Nano：全纤维驱动器实现环境监护型智能口罩

2025-03-12 来源：高分子科技

驱-感一体式智能变形材料在机械操控、信息采集、环境探测、智慧医疗和人-机-环境交互等领域展现出巨大应用前景。这类材料开发的难点在于驱动状态与感知信息的实时同步反馈，限制其复杂交互场景应用。全纤维结构智能变形材料具备微观特征可调、高设计性和多功能集成等优势，有望解决这一难题。采用光电双模响应材料实现驱动变形、电学感知与变色显示可突破单一电学传感局限，有望呈现一种更直观的人-机-环境交互方式。以此构建一种集“感知-驱动-反馈”功能于一体的光电双模纤维膜驱动器，赋予其环境适应性驱动和光电双重环境交互能力，有望促进感知型软体机器人和智能可穿戴装备的探索和发展。

近日，东华大学熊佳庆课题组以拟态章鱼皮肤为灵感，开发了一种光电双模纤维膜（TCTR）感知型驱动器，由光热-湿气协同响应的热致变色纤维层（TCL）和光热响应纤维层（TRL）构成，实现环境热-湿响应同步“变形-变色-感知”功能。作者提出在微纳结构高取向纤维层间设计纤维互锁过渡层的策略，实现高界面稳定性的双层结构纤维膜驱动器，展示出色的机械韧性（17.9 MJ m^-3）、光热转化效率（22.9 ℃ min^-1）和显著的颜色变化（暗紫红色到亮淡黄色，明度变化~68）。这种湿度主导-光热辅助响应的全纤维驱动器表现出优异的变形速率（0.67 cm^-1 s^-1）、双向弯曲曲率（7.37 cm^-1）和循环稳定性。基于环境响应驱动诱导的电学-视觉双模传感策略，通过材料宏微观结构差异化组装，TCTR可感知触觉刺激、呼吸状态、环境温湿度甚至空气污染程度，在过滤材料、电子皮肤、智能监护口罩和主动调温织物等领域展现出多样化应用前景。

相关研究以“Adaptive All-Fiber Actuator for Human-Environment Interaction”为题发表在《ACS Nano》期刊上。论文第一作者为东华大学博士后张雨凡，通讯作者为熊佳庆研究员。该研究得到国家自然科学基金等项目资助。

图1 全纤维智能驱动器的设计灵感与功能

受拟态章鱼皮肤可产生环境自适应性形变和同步变色行为的启发，作者开发了一种集“感知-变形-变色”功能于一体的全纤维膜驱动器。基于连续静电纺丝工艺，制备对湿气和光热产生差异化响应的双层结构纤维膜（TCTR），通过高取向纤维排列和纤维互锁过渡层策略，既提升了器件界面稳定性，也保障了其综合驱动性能，使得TCTR在力学性能、光热-湿气驱动响应和多模感知能力方面均有优异表现，展示了在双向驱动、热源感知、智能口罩和调温织物等领域的多场景应用（图1）。

图2 光热响应层TRL的制造策略与性能

驱动器的光热响应层TRL由增强光热吸收的MXene复合聚偏氟乙烯（PVDF）纳米纤维构成。基于高湿度氛围（RH = 70±5%）纺丝诱导PVDF纤维发生相分离，形成的“微晶颗粒”富集式多级结构可调控和提升纤维膜机械韧性与光热性能，其断裂应力和应变分别高达21.1 MPa和172%，最大比表面积可达13.6 m2 g^-1，孔隙体积较光滑状态提升1.76倍（图2）。在100 mW cm^-2红外辐射下升温速率达到22.9 °C min?1，这种增强的光热响应速率有助于促进湿响应层TCL的水汽逸出，增强光热-湿气双向驱动。

图3 湿气响应/温度可视层TCL的制造策略与性能

驱动器的湿度响应/温度可视层TCL由不同温度变色响应差异性荧烷染料（TC）嵌入聚环氧乙烷（PEO）纳米纤维构成，基于TC分子中心碳原子内酯环在临界温度下的可逆开/闭环显色机制，纤维层在26 °C到60 °C间可实现连续可逆的颜色变化。高取向结构纤维层除具有更高的机械性能（断裂韧性1.41 MJ m^-3比随机排列纤维样品高出近两倍），其光学变色灵敏度也得到提升，展示出从26 °C（暗紫红色）到60 °C（亮淡黄色）的显著颜色变化（明度变化高达68），可为人-机-环境交互过程提供可视化温度信息（图3）。

图4 TCTR的光热-湿气驱动原理和性能

TCL和TRL纤维层构成了一种由湿气主导-光热辅助的全纤维驱动器TCTR，通过双层纤维间吸湿性和热膨胀差异实现可逆的双向驱动变形。在高湿度下，亲水性高比表面积的 TCL层迅速吸湿膨胀，而湿度不敏感的TRL层则体积变形相对小，这种差异化膨胀促使器件向TRL侧弯曲。光热作用下，TRL层快速升温膨胀，并传递热量给TCL层加速其湿气逸出和体积收缩，从而放大器件非对称体积变化，使其向TCL侧反向弯曲，同时伴随实时颜色变化以可视化环境温度。通过优化纤维多级结构和取向排列，TCTR最佳双向驱动曲率达到7.23 cm^?1，响应速率高达0.67 cm^?1 s^?1（图4）。纤维互锁过渡层显著提升了TCTR的界面稳定性和变形持久性，器件可耐受150个双向驱动循环，驱动性能无明显下降。

图5 TCTR的智能穿戴应用

利用TCTR可设计多种动态智能织物和可穿戴设备。例如赋予织物从寒冷环境保暖到炎热环境散热的动态调温，有望促进人体微环境智能管控。此外，通过集成电极赋予TCTR形变触发式摩擦电效应，证实了一种环境监护式智能口罩。通过在口罩中整合PA织物/含电极TCTR模块，基于TCTR变形能力依赖于不同呼吸状态（气流与其温湿度）、空气质量和环境温度的原理，可触发呼吸时TCTR/PA层间有效接触面积差异，产生可区分的电学信号与变色效果，实现人体状态和环境信息的实时感知，有望提升人体-环境交互舒适性和安全性（图5）。

通过纤维互锁过渡界面设计增强多级结构-高取向纤维膜的机械性能，作者开发了一种具备光热-湿气协同驱动和同步热致变色功能的全纤维驱动器（TCTR），展示了器件对多种环境信息（触觉、温湿度、空气污染和呼吸状态）的主动感知功能，并验证了其作为智能调温织物和环境监护型智能口罩的可行性。这项工作有望为先进纤维材料开发提供策略参考，并为动态电子皮肤、微型软体机器人和穿戴健康监护装备等领域发展提供启发。

文章信息：Y Zhang, T Zhang, Y Gu, M Fan, Y Zhang, S Wang, Y Xia,X Zhou, J Xiong*, Adaptive All-Fiber Actuator for Human–Environment Interaction, ACS Nano, 2025, https://doi.org/10.1021/acsnano.4c17638

原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.4c17638

课题组主页：https://www.x-mol.com/groups/xiong_jiaqing

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（责任编辑：xu）

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