纤维基人工肌肉作为一种结构简单、高灵敏性的柔性驱动器，在软体机器人、智能系统等方面具有广阔的应用前景。但目前纤维基人工肌肉的低维度单一形变、碳基原材料或化合物的复杂制备及其化学毒性、苛刻的驱动条件等问题，制约了其进一步发展和应用。因此，迫切需要一种基于大宗纤维材料、结构尺度可扩展、驱动条件温和的高敏响应的人工肌肉驱动器，从而为纤维基人工肌肉在智能纺织品和柔性智能系统应用开辟新的视角。

  鉴于此，江南大学高卫东教授团队提出了一种基于纤维体及其分级结果的跨尺度处理策略，通过巧妙的结构设计将普通粘胶纤维设计为具有快速响应的湿驱动纱线人工肌肉，实现了高达2100 rpm的最大旋转速度和1752°cm^-1的最大扭转冲程。在此基础上，通过拓扑编织结构将纱线人工肌肉扩展为二维的织物人工肌肉，克服了纱线人工肌肉低维的单一变形问题，实现了卷曲、螺旋、弯曲、扭转等多种形式的致动效果。这种织物人工肌肉为纤维基人工肌肉开辟了新的发展空间，其机构简单性、多功能性和低成本等优势可实现在智能纺织品、软体机器人等工程领域的广泛应用。相关成果以标题为“Hierarchically structured and Scalable Artificial Muscles for Smart Textiles”发表在ACS Applied Materials & Interfaces。江南大学生态纺织教育部重点实验室硕士研究生彭阳阳为论文第一作者，孙丰鑫副研究员为论文通讯作者。

摘要图：通过纤维聚集态结构、纤维螺旋形态和织物拓扑编织结构的构建，实现湿响应的智能纺织品研发。

图1. 跨尺度结构及纤维基人工肌肉的构建方法

图2. 纱线人工肌肉结构及物理性能表征。

  该研究通过设计粘胶纤维的热牵伸实验诱导粘胶纤维的聚集态结构再取向，然后利用纺织加工技术将牵伸处理的纤维加强捻、并合与自回复加工，从而实现自平衡的双螺旋结构的纱线人工肌肉制备，如图1所示。进一步地，一维的纱线人工肌肉可以通过织造技术拓扑地设计为二维织物人工肌肉。图2（a-b）显示了纱线人工肌肉的自平衡结构和纤维干态和湿态的微结构特征。如图2（c-f）所示，经过热牵伸处理的粘胶纱线人工肌肉的旋转速度和最大转动冲程均具有近两倍的提高，而且体现了较好的循环驱动效果，50次循环实验后性能基本保持不变。另一方面，热牵伸提高了纤维的断裂强度，但保持了纱线人工肌肉的力学性能的稳定性。

图3. 纱线人工肌肉驱动机理及其跨尺度结构的物理解释。

  研究表明，热应力牵伸处理诱导粘胶纤维β-折叠链纳米晶和无定形大分子链进一步取向；当水分子打开纤维聚集态结构氢键，诱导释放非稳态应力，纳米晶和无定形大分子链松弛；当纤维重新干燥后，由于高密度未被打开的氢键区的存在，使纳米微晶和大分子链重新取向。如图3，方位角衍射图谱和相对取向因子计算结果进一步验证了这个变化过程。此外，小角衍射结果表明牵伸后纤维的微原纤结构曲线排列更加紧密，也提高了纤维的吸湿膨胀性。几何结构研究进一步表明纤维各向异性维度变化（长度吸湿缩短、直径吸湿膨胀）对纱线人工肌肉扭转驱动的细观作用机制，基于能量方法探明了纤维退捻扭转能与纱线人工肌肉扭转能的正比例关系。

图4. 可扩展的织物人工肌肉及其驱动性能。

图5. 织物人工肌肉应用于湿响应智能纺织品。

  研究通过织物结构拓扑设计，将纱线人工肌肉进一步扩展为织物人工肌肉，并借助不同的剪裁方式，实现了织物人工肌肉不同的湿态驱动变形效果，见图4和图5所示。而且织物肌肉展现了较高的比应力，峰值弯曲作用力可达自身重力的25倍。织物人工肌肉可以实现热湿管理织物的开发，当人体在气温较高出汗时，织物人工肌肉纺制的衣袖可以自动卷起以便人体热湿散失，天气凉爽时，在无汗液的干态皮肤表面，织物舒展开以保暖。此外，这类智能织物还可以用于智能调温和调光的温室大棚的遮阳帘。

  研究者从纤维材料微观结构重构、纱线细观螺旋形态构建和织物拓扑结构设计三个维度，设计了一种高灵敏、尺寸可扩展的湿驱动人工肌肉致动器。实现了二维的织物人工肌肉的制备，可实现多样性的空间驱动变形。该项研究为纤维基人工肌肉的开发应用提供了新的思路，在智能纺织品等领域具有可观的应用前景。

  论文链接：https://doi.org/10.1021/acsami.1c16323