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“四两拨千斤”:人工肌肉纤维制备有新招

更新:2020-09-27 编辑:天和棋牌网站 来源:天和棋牌网站 热度:2617℃

■本报见习记者 任芳言

让一根捻好的“麻绳”自动解捻,能产生怎样的力量?

7月12日,美国得克萨斯州立大学达拉斯分校教授Ray Baughman课题组与中国武汉大天和棋牌网站学等机构合作者在新一期《科学》上刊文,提出了一种创新性的人工肌肉纤维制备方法——将活性材料作为壳层覆盖在载体纤维外部,从而更有效地提高人工肌肉纤维的机械功输出密度和速率。

此前,Baughman等人曾提出利用捻曲技术制备人工肌肉纤维,通过这种技术制备出的纤维可以旋转和伸缩。随后,南开大学、复旦大学、东华大学、中科院苏州纳米技术与纳米仿生研究所等机构的研究者先后在不同的材料体系中实现了基于该技术的人工肌肉纤维制备。

此次刊发的成果,是Baughman等团队对制备技术的又一次提升。

“海底寻针”

人们在日常生活中见到的纤维成品,大多经过一定的加捻处理。如果将一根由多根纤维捻成的绳子搓开,绳子的直径会扩张变大。

“直径方向变粗,轴线方向变短。如果这些纤维能自动退捻并恢复,这一过程就会产生机械能。”论文第一作者、得克萨斯州立大学艾伦·G·麦克迪亚米德纳米中心成员穆九柯解释道。通过这个例子,可以初步理解人工肌肉纤维的工作原理。

借助客体材料,实现纤维最大程度地可恢复性散开、退捻,需要找对驱动方式、选用合适的材料和高效的结构。一直以来,制备出高性能的人工肌肉纤维材料都是研究者希望攻破的难关。而在不同应用场景下,将各异的驱动方式与材料进行匹配并找出最优解,无异于“海底寻针&天和棋牌网站rdquo;。

人工肌肉纤维退捻有多种驱动方式,如气体驱动、热能驱动和电化学驱动。不同的方式产生的能量传递到纱线,从而使其发生体积变化。在这一过程中,纱线的捻度变化是机械能产生的关键,而单根纤维的捻角和纱线的捻度有密切关联。另外,模拟肌肉运动的材料如果能做到更轻,那么克服自身质量消耗的能量就会大大减少,从而提高能量输出。

Baughman课题组在长期的探索中发现,人工肌肉纤维的外层是提供机械能输出的主要部分,而纱线中心部分的纤维在机械能转换过程中贡献甚少。

他们还发现,无论是气体产生的能量,还是热能或电化学能,其传输到纱线内部所需时间较长,成为限制人工肌肉纤维响应速度的一大原因。

创新性结构

为了解决上述问题,课题组提出了一种全新结构模式——将原本填充在整个纤维中的活性客体材料集中放到纱线载体的外层,从而形成一种壳层结构。活性壳层材料在多种驱动方式的触发下产生体积膨胀,从而让人工肌肉纤维可恢复性退捻、产生机械能。

(责任编辑:天和棋牌网站)

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