蠶絲「人工肌肉」讓智能織物更舒適

濕度增加後，蠶絲人工肌肉纖維編織的玩偶上衣衣袖縮短至一半，濕度降低後復原。

蠶絲應用廣泛且具有優異的穿戴舒適性，蠶絲人工肌肉的製作流程又符合當前工業化程序，不需要化學修飾和額外的添加劑，它在工業應用中開闢更多的可能性。

正值季節變換，當你跑步的時候，穿短袖太冷，穿長袖太熱，如果有一種服飾，能夠根據體溫、濕度自動調節長度，當身體出汗時，長袖變為短袖，汗干之後又恢復如初，那將多麼神奇。如今，這種酷炫的智能織物有望成為現實。

近日，南開大學藥物化學生物學國家重點實驗室教授劉遵峰帶領的團隊研獲了一種綠色環保的純蠶絲「人工肌肉」，它不僅可以感知皮膚表面的濕度，還能夠自由伸縮。這種新型「人造肌肉」除了可以用於智能織物，在柔軟機器人研發領域也將大有可為。

相關研究論文日前發表於材料領域國際權威期刊《先進功能材料》（Advanced Functional Materials）上。

感知濕度，自動伸縮

當前，人們在智能紡織品的開發方面已經取得了不錯的進展，製造出來的紡織品具有能量儲存、自清潔、顏色變化、溫度和濕度調節等多種新型功能。但智能織物的相關研究並不滿足於此。

「如果紡織品能夠對濕度響應，通過調節宏觀形狀或孔隙率實現水分和熱量管理，將會為人們提供更多的舒適體驗。」感知濕度的紡織品引起了劉遵峰的極大興趣，在他看來，這樣的紡織品不僅可以為人們提供更多的舒適性，還具有巨大的市場價值。

此次研究，劉遵峰團隊就利用天然蠶絲製作成一種新型的「人工肌肉」纖維，研究人員不使用任何化學修飾和添加劑，根據蠶絲吸水後產生的巨大體積膨脹的原理，通過脫膠、加捻、合股、熱定型等工業化常用流程製作而成。

劉遵峰向《中國科學報》介紹，蠶絲人工肌肉能夠從環境中感知刺激，並通過整合織物結構中的功能來對這些刺激作出反應。即可以通過適應汗水、雨水、濕度和溫度而改變孔隙率或宏觀形狀，產生快速的扭轉、拉伸和收縮運動，從而實現水分和熱量管理。

為了不需要外界固定就能實現可逆驅動，劉遵峰團隊開發了一種扭矩平衡的纖維結構，通過將扭曲的纖維對摺、合股，使得蠶絲纖維實現了自平衡。劉遵峰還使用脫膠蠶絲纖維展示了水霧和濕度驅動的高性能蠶絲扭轉肌肉和蠶絲伸縮肌肉，並利用分子動力學模擬詳細研究了其機制。

據介紹，當暴露在水霧中時，製造的蠶絲扭轉「人工肌肉」纖維實現了547o mm-1的完全可逆扭轉行程，非常接近於濕度驅動的扭轉石墨烯纖維（588.6o mm-1）。當相對濕度從20%變為80%時，卷繞的蠶絲伸縮肌肉的收縮率為70%，比有機溶劑驅動的卷繞CNT紗線肌肉（60%）還要大，且最大做功能力達73 J/kg。

「這種優異的致動性是因為蠶絲纖維吸水後誘導蛋白內氫鍵的損失和相關的結構轉化，並且通過分子動力學模擬、X射線衍射和宏觀表徵得到證實。」劉遵峰說。通過分子動力學模擬發現，吸水導致蠶絲蛋白內氫鍵的喪失，進而導致蠶絲蛋白結構的變化，提供了蠶絲肌肉驅動的基本機制。

應用開闢更多可能性

將傳統紡織技術和纖維型人工肌肉相結合，是實現紡織品智能功能的方法之一。雖然碳納米管、石墨烯、聚乙烯、尼龍等纖維材料已被報道用於製備人工肌肉纖維，但是這些材料很難用作調節濕度和體溫的智能紡織品，主要因為這些材料具有造價昂貴、製造過程複雜、舒適性差等缺點，難以進行商業化。

蠶絲作為一種天然紡織纖維，集柔軟親膚、吸濕透氣等優點於一身，一直受到人們的追捧和紡織界的青睞。「蠶絲用作衣物已經有上千年的歷史，它穿著舒適，是一種重要的紡織原料。」劉遵峰說，根據研究調查發現，目前還沒有利用天然纖維製成「人工肌肉」並用於智能織物領域的報道。

由於蠶絲應用廣泛且具有優異的穿戴舒適性，蠶絲人工肌肉的製作流程又符合當前工業化程序，不需要化學修飾和額外的添加劑，它將在工業應用中開闢更多的可能性，例如智能紡織品和柔性機器人。

對此，研究人員就展示了一種由同手性蠶絲拉伸肌肉編織而成的對濕度敏感的智能織物，織物袖子的經紗方向為同手性蠶絲拉伸肌肉，緯紗方向為未加捻的蠶絲纖維。當由於汗水或潮濕環境導致濕度增加時，智能織物的袖子沿經紗（垂直）方向收縮（45%），然後在濕度下降時恢復原長。例如在運動的過程中，身體在出汗的情況下，衣服自動縮短成短袖短褲，便於排熱排汗；身體乾燥時，衣服變長以實現保暖性。

「由於蠶絲纖維原料非常豐富、生物相容性好，且具有高的成本效益，蠶絲人工肌肉將為智能紡織品和軟體機器人等應用開闢更多的可能性。」劉遵峰說。

（來源：《先進功能材料》劉遵峰等）

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