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南開大學劉遵峰教授 Nat. Commun.：用于微流體傳感、操控的螺旋中空纖維

2022-03-19 來源：高分子科技

微流體操縱系統可精確地將少量液體輸送到目標位置進行傳感或分析，被輸送的流體被精確地感知和控制(包括體積、溫度和濃度)。然而，因為傳統的傳感器無法適應微流體裝置中狹小的空間，所以難以獲得空心纖維中少量快速流動流體的實時數據。同時，由于流體的快速流動，快速傳感和驅動并不容易實現。

近期，南開大學化學學院劉遵峰教授課題組，開發出了一種螺旋非線性應力的中空聚乙烯纖維驅動器（PEHF），可以實現快速傳感、驅動，同時能夠監測流體實時數據。在對流體流量的響應方面，所設計的驅動器具有高驅動行程(87.5%)、快速響應速度(0.88s)和高溫度靈敏度(0.5 K溫度變化時旋轉20°)，其工作能力和功率密度分別是空氣驅動固體纖維的1.5倍和90倍。當液體在不同溫度下流動時，扭轉型中空纖維驅動器可以進行不同角度的旋轉。同手性拉伸中空纖維驅動器在輸送不同溫度的液體時可以收縮不同長度，驅動器可以通過收縮不同長度輸送和分類液體。中空纖維驅動器還可以作為夾子捕捉對象，能夠實現提升2g負載和釋放負載，為中空纖維驅動器在軟機器人和工業制造中作為響應速度快、行程大的人造肌肉的應用提供了可能性。該工作以“Microfluidic manipulation by spiral hollow-fibre actuators”為題發表在《Nature Communications》上（Nat. Comm,(2022) 13:1331），第一作者是博士研究生李思彤。

圖1:用于微流體操縱的中空纖維驅動器

圖2:扭轉PEHF580-990驅動器的驅動性能

圖3:流體驅動的同手性中空纖維驅動器的驅動性能

圖4:PEHF580-990驅動器的微流體傳感和操作

該工作是劉遵峰教授團隊近期在柔性智能驅動器和傳感器領域的最新進展之一。在過去的幾年中，為了應對溫室效應，提高制冷效率節省電能，團隊還提出了一種柔性制冷新策略——“扭熱制冷”，該策略的卡諾效率可以達到67%，遠高于現有技術（ Science, 11 Oct 2019: Vol. 366, Issue 6462, pp. 216-221）。團隊為了擴寬柔性智能設備的應用場景，還研發出了可用作人工肌肉的超彈性導電纖維（Science, 2015, 349(6246): 400~404）；能夠耐高溫和化學攻擊的蝦殼結構仿生驅動器（Adv. Mater.,2021,2104558）；超強韌能用于高空緩降，并能在濕氣下發生超收縮現象的人造蜘蛛絲（Nat. Comm., (2019) 10:5293）；集體感、負重和多地形爬行等功能于一體的軟體爬行機器人（Mater. Horiz., 2021,8, 1783-1794）；可以感知濕度自動伸縮的智能頭發人工肌肉（Mater. Horiz., 2021,8, 1538-1546）；集神經傳導、感知、驅動于一體的多功能人工肌肉（Mater. Horiz., 2020,7, 3305-3315）等成果，并且團隊還發表了綜述文章“Power of the Fiber Twist”，總結了捻度插入對纖維物理性質和化學性質的影響，及其在人工肌肉、制冷等方面的應用（Accounts of Chemical Research.2021,54,11,2624–2636）。

原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-29088-9

下載：Microfluidic manipulation by spiral hollow-fibre actuators

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（責任編輯：xu）

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