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  纖維驅(qū)動器具有環(huán)境響應(yīng)和傳感功能，在可穿戴設(shè)備、生物傳感器和人工肌肉等諸多新興領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注。近年來，由合成聚合物、石墨烯、碳納米管、形狀記憶合金制備的一系列纖維驅(qū)動器，可由濕度、溫度或電化學(xué)驅(qū)動并顯示出快速的響應(yīng)能力，但上述各類纖維的機(jī)械性能、生物相容性及生產(chǎn)成本難以達(dá)到平衡。而自然界中存在許多性能優(yōu)異的纖維微驅(qū)動器。如蜘蛛絲，不僅在機(jī)械韌性上超過了大多數(shù)傳統(tǒng)材料，同時(shí)牽引絲可被濕度驅(qū)動產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形超過300°/mm。這類天然材料為我們開發(fā)優(yōu)化纖維驅(qū)動器材料提供了新的思路。

  蜘蛛牽引絲所制備的纖維驅(qū)動器具有獨(dú)特的濕度驅(qū)動行為，其扭轉(zhuǎn)變形比其他傳統(tǒng)的纖維微驅(qū)動器(如導(dǎo)電聚合物驅(qū)動器(0.01°/mm)和形狀記憶合金纖維微驅(qū)動器(0.15°/mm))高數(shù)千倍。然而蜘蛛無法被馴養(yǎng)，無法實(shí)現(xiàn)大量生產(chǎn)。凌盛杰教授團(tuán)隊(duì)提出了使用強(qiáng)拉柞蠶絲(FRSFs)替代蜘蛛絲制作高性能纖維驅(qū)動器。

  他們通過一種速度可控的力繅絲方式，可以從中獲得連續(xù)紡長大于1km的均勻柞蠶絲纖維。這種強(qiáng)拉柞蠶絲（FRSFs）在機(jī)械強(qiáng)度和延伸性方面做出了權(quán)衡，以致其機(jī)械韌性幾乎是柞蠶繭絲(CSFs)的兩倍，甚至可以與蜘蛛絲相媲美。通過高分辨掃描電子顯微鏡(HRSEM)、小角度和廣角X射線散射(SAXS/WAXS)和同步輻射傅里葉變換紅外顯微光譜(micro-SFTIR)，揭示了FRSFs中納米纖維不僅在取向度上明顯高于柞蠶繭絲(CSFs)，其纖維間界面結(jié)合與堆積也比柞蠶繭絲(CSFs)強(qiáng)得多。 

圖 1. FRSF的力學(xué)性能。a）三種不同柞蠶絲典型應(yīng)力應(yīng)變曲線。強(qiáng)拉柞蠶絲FRSF；柞蠶繭絲CSF；柞蠶自然吐在平面板上的絲PSF. b）拉伸速度為2 mm min^-1時(shí)CSFs和FRSFs的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。c）FRSFs與其他天然和合成材料的比強(qiáng)度和比剛度的比較。d）不同天然纖維和合成纖維的纖維密度、強(qiáng)度、楊氏模量和韌性的比較。

  利用紗線紡紗技術(shù)將FRSFs組裝成具有可編程驅(qū)動功率(0.77-2.1W/kg)的雙螺旋微驅(qū)動器。FRSFs纖維驅(qū)動器的形狀梯度與表面粗糙度使得他們能夠?qū)穸茸鞒隹焖俜磻?yīng)。在4.8秒內(nèi)，絲纖維微致動器可以達(dá)到6179.3°/s的最大旋轉(zhuǎn)速度，這樣的響應(yīng)速度(1030r.p.m.)大于由棉、亞麻毛或Tunel32制成的濕度驅(qū)動微驅(qū)動器，甚至能與由電操作的碳納米管微驅(qū)動器相媲美。該微驅(qū)動器的平均驅(qū)動功率為2.1W/kg，是蠶繭絲纖維驅(qū)動器的兩倍。FRSFs微驅(qū)動器出色的驅(qū)動性能讓其成為多種應(yīng)用的潛力選擇。該團(tuán)隊(duì)展示了如何使用這些FRSF微驅(qū)動器來促進(jìn)傷口愈合。

圖 2. a） 基于FRSFs的微驅(qū)動器制造工藝示意圖。b） 2、5、10股微驅(qū)動器的掃描電鏡圖像。c） 自制的水霧驅(qū)動FRSF微驅(qū)動器性能檢測裝置。d） 微驅(qū)動器工作過程的圖像（p為螺距）。e） 驅(qū)動微驅(qū)動器時(shí)旋轉(zhuǎn)角度與時(shí)間的關(guān)系。f） 促進(jìn)傷口愈合的微驅(qū)動器示意圖。g）微驅(qū)動器促進(jìn)傷口愈合的過程。h） 顯微鏡下提取水凝膠的微驅(qū)動器。

  該團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步研究了FRSF微驅(qū)動器的驅(qū)動機(jī)理：表面粗糙度和形狀梯度觸發(fā)并促進(jìn)水在微驅(qū)動器上的滲透，從而導(dǎo)致FRSFs的膨脹和收縮。這種協(xié)同效應(yīng)會自發(fā)地解開FRSF單紗，并保持微執(zhí)行器的整體加捻平衡。文章中推導(dǎo)了螺旋結(jié)構(gòu)與驅(qū)動功率之間的定量關(guān)系，從而可編程實(shí)現(xiàn)不同應(yīng)用所需的驅(qū)動功率。通過控制所用纖維的數(shù)量，可以對絲纖維微驅(qū)動器的驅(qū)動功率進(jìn)行精確編程。FRSF微驅(qū)動器作為一種天然的蛋白質(zhì)纖維，具有機(jī)械性能高、加工性能多樣、生物相容性好等優(yōu)點(diǎn)，有望在生物醫(yī)學(xué)、智能紡織品、軟機(jī)器人、人機(jī)界面等多個(gè)新興領(lǐng)域得到應(yīng)用。

  以上相關(guān)成果發(fā)表在Advanced Science (Adv. Sci.2020,1902743)上。論文的第一、二作者分別為上海科技大學(xué)物質(zhì)學(xué)院研究生林詩繪和物質(zhì)學(xué)院本科生王臻，通訊作者為凌盛杰教授。

  論文鏈接：https://doi.org/10.1002/advs.201902743