得克萨斯大学达拉斯分校 Ray H. Baughman 院士团队 Science：无芯轴制备大弹簧因子人工肌肉

2025-03-10 来源：高分子科技

扭曲和螺旋聚合物纤维已被证明是一种制造人造肌肉的简单方法。先前的自螺旋方法仅限于制备低弹簧指数的肌肉。若制备大弹簧因子肌肉或者纱线，必须将纤维缠绕在芯轴上。然而芯轴随后需要被移除，从而产生多余的废料，极大增大了制备难度和成本且限制了工业化生产。该无芯轴制备大弹簧因子肌肉的方法，打破了这一困局，在无需芯轴的条件下实现弹簧因子可调可控，极大降低生产成本，为大规模产业化人工肌肉提供了高效经济的新方法。

近期，美国得克萨斯大学达拉斯分校（The University of Texas at Dallas）纳米科技研究所（NanoTech Institute）Ray H. Baughman院士，Shaoli Fang教授和Mengmeng Zhang研究员带领团队研发了一种无芯轴制备大弹簧因子（spring index）螺旋聚合物人工肌肉的方法。弹簧因子是人工肌肉的螺旋结构直径与纤维直径的比率。大弹簧因子人工肌肉可以提供大的肌肉收缩行程和较高的肌肉制动力。该人工肌肉弹簧因子可高达50，并且制动收缩行程超过97%。该制备方法可通过调节多股结构加捻密度实现肌肉纤维以及单根肌肉纤维长度方向弹簧因子的可变控制，并且可以实现人工肌肉在加热或冷却过程中同手性和异手性的可逆转换。这些大弹簧因子人工肌肉可用于机器人领域以及环境驱动的热绝缘能力动态可调的智能衣服。该无芯轴方法对各类纤维或者纱线具备普适性。该团队利用无芯轴方法制备出大弹簧因子的碳纳米管纱线，并应用于机械能回收，自供电拉伸传感器，以及溶剂驱动和电化学驱动纳米人工肌肉的领域中。

图1. 大弹簧因子聚合物螺旋人工肌肉的制备。

图2. 大弹簧因子碳纳米管纱线的制备以及其自发电应变传感器和人工肌肉应用。

图3. 大弹簧因子聚合物人工肌肉的性能。

图4. 大弹簧因子人工肌肉的多样化应用。

该项工作颠覆了当前对必须依靠芯轴才可制备具有大弹簧因子人工肌肉的认知，为大规模高效经济产业化大弹簧因子人工肌肉提供了新方法。同时，单根肌肉纤维长度方向弹簧因子可调为实现机器人复杂运动和开发新的运动模式提供了新的设计思路。该工作以“Mandrel-free fabrication of giant spring-index and stroke muscles for diverse applications”为题发表在《Science》上（Science 387, 1101-1108, 2025）。Mengmeng Zhang研究员是文章的第一作者，Shaoli Fang 教授和Ray H. Baughman院士是文章的通讯作者。该无芯轴人工肌肉制备技术及相关机器人和智能织物应用已经申请美国专利。该文章入选当期Science期刊亮点文章，同期发表在《Science》长评论文章“Ply for a large stroke”（Science 387, 1038-1039, 2025）对该团队的研究成果进行了专题总结和未来展望。

总结：大弹簧因子人工肌肉可用于制备基于环境温度变化热绝缘能力动态可调的智能织物。基于该团队之前研发的芯轴卷曲技术，其技术授权方已与Ralph Lauren合作，成功商业化该智能织物，以此制备的舒适度可调羽绒服能够根据环境温度变化自动调节厚度，并被指定为2022北京冬奥会美国代表队的官方队服。该工作是Ray H. Baughman院士研究团队近年来在纤维人工肌肉和纤维能量收集器等研究领域的又一重要进展。此外，凭借纤维多股结构优势，该团队在2023年报道了由Ray Baughman院士和Mengmeng Zhang研究员主导的多股碳纳米管纱线高效机械能能量回收器的研究，相关工作发表在《Nature Energy》(Nature Energy 8, 203-213, 2023)。一直以来，美国得克萨斯大学达拉斯分校纳米科技研究所聚焦人工肌肉，机械能回收，新型材料合成，光电力转换，材料力学增强，能源存储和转化等热点研究领域，在《Science》和《Nature》等国际顶级期刊上发表了一系列重要研究进展。

原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adr6708

下载:Mandrel-free fabrication of giant spring-index and stroke muscles for diverse applications

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（责任编辑：xu）

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