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東華大學(xué)王宏志教授課題組 Adv. Mater.：可在空氣中操控的電致變色人工肌肉纖維
2023-11-08  來源：高分子科技
  自然界中的許多生物，包括章魚、墨魚、安第斯雨蛙等，它們不僅能像變色龍一樣快速適應(yīng)周圍環(huán)境的顏色，而且能可逆地改變自身的紋理或姿勢以適應(yīng)環(huán)境，從而表現(xiàn)出更加復(fù)雜的姿態(tài)、偽裝能力。人造肌肉被認(rèn)為是這些生物體能夠?qū)崿F(xiàn)其紋理或姿勢可逆變化的方式之一，可以模仿生命系統(tǒng)的復(fù)雜運動，與真實肌肉相比提供更高的輸出能量。然而，電化學(xué)離子注入驅(qū)動的人造肌肉存在致動特性單一、難以在空氣中穩(wěn)定運行的問題，阻礙了其未來發(fā)展。受人體肌肉的運動機理啟發(fā)（圖1），東華大學(xué)王宏志課題組基于前期在氧化鎢納米線（W18O49 NWs）、氧化釩納米線（V2O5 NWs）電致變色致動器上的工作積累。選用碳管紗線（CNTF）作為導(dǎo)電核層材料，具有較高長徑比的V2O5 NWs作為鞘層活性材料，構(gòu)筑V2O5 NWs/CNTF核鞘結(jié)構(gòu)多功能紗線。利用濕法纏繞、濕法加捻，構(gòu)筑得到具有致動變色雙響應(yīng)的多功能纖維（圖2a-b）。+4 V電壓驅(qū)動下，螺旋結(jié)構(gòu)電致變色人工肌肉纖維最大收縮幅度可達到17.9%，顏色可以在黃色-黃綠色-藍灰色之間可逆轉(zhuǎn)變，反射率對比度高達53.9%，顯示出良好的致動和變色性能（圖2b，人工肌肉變色驅(qū)動機理）。


圖1. 人體肌肉的驅(qū)動機理示意圖。 


圖2. V2O5 NWs/SWCNTs核鞘多功能紗線的制備及變色變形雙響應(yīng)機理。


  為了構(gòu)筑可以在空氣中穩(wěn)定運行的電致變色人工肌肉（EAM），創(chuàng)新性地提出了熱澆筑快速冷卻的電解質(zhì)成型方法（圖3a），在特定電壓刺激下，EAM可以在空氣中穩(wěn)定運行，并發(fā)生較大的收縮變形（收縮形變12%）和可逆的顏色變化（反射率對比度變化為50.1%）。此外，進行器件結(jié)構(gòu)的可編程設(shè)計，獲得了具有不同顏色組合的EAM（圖3f-i，圖4）。 


圖3. EAM 的多功能性能和結(jié)構(gòu)設(shè)計。可在空氣中操控的電致變色人工肌肉器件結(jié)構(gòu)示意圖及多功能可編程設(shè)計示意圖。 


  圖4. 單根電致變色人工肌肉紗線驅(qū)動單根電致變色人工肌肉紗線演示視頻；單根碳管紗線驅(qū)動多根電致變色人工肌肉紗線演示視頻。


  基于COMSOL、ABAQUS軟件的模擬結(jié)果（圖5a-b），構(gòu)筑了環(huán)形排布結(jié)構(gòu)的EAM，該器件在空氣中具有力學(xué)輸出大、響應(yīng)速度快等優(yōu)點。利用環(huán)形排布結(jié)構(gòu)的EAM構(gòu)建了人工假肢外骨骼，在電化學(xué)驅(qū)動下，可同時發(fā)生致動和可逆的顏色變化（圖5c，圖6）。 


圖5. 不同排布方式的電致變色人工肌肉的力學(xué)電學(xué)模擬；環(huán)形排布的電致變色人工肌肉被應(yīng)用于人工假肢外骨骼的性能表征及演示實驗。  


 圖6. 環(huán)形排布的電致變色人工肌肉被應(yīng)用于人工假肢外骨骼的演示視頻。


  相關(guān)工作以“Air-Working Electrochromic Artificial Muscles”為題發(fā)表在Advanced Materials（DOI: 10.1002/adma.202305914）上，東華大學(xué)博士生凌勇為第一作者，李克睿研究員、李耀剛教授、王宏志教授為論文共同通訊作者。


  原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202305914

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