人工肌肉在外界刺激下能夠發(fā)生收縮、旋轉(zhuǎn)等驅(qū)動(dòng)，因而在機(jī)器人、智能織物和假肢等領(lǐng)域引起了廣泛關(guān)注。目前人工肌肉的制備材料，主要包括碳納米管纖維、聚合物纖維、液晶彈性體等，通常需要加捻或扭曲等復(fù)雜工藝，同時(shí)制備的人工肌肉存在響應(yīng)單一、收縮行程有限、驅(qū)動(dòng)力弱以及應(yīng)用場(chǎng)景受限等瓶頸問題。
MXene/CNFs復(fù)合納米片通過由窄變寬的紡絲針頭，巨大的膨脹應(yīng)力會(huì)消除紡絲過程中導(dǎo)致復(fù)合納米片軸向排列的剪切力，然后再經(jīng)過乙醇凝固浴，制備MXene納米片徑向取向的MXene復(fù)合纖維人工肌肉（MFAMs）。在25oC至125oC溫度范圍區(qū)間，MXene復(fù)合纖維人工肌肉可提起自身重量1000倍以上的物體，最大收縮行程為21%，做工能力達(dá)1.76 J g-1，是自然肌肉的45倍。原位變溫表征和模擬結(jié)果揭示了MXene復(fù)合纖維人工肌肉的收縮驅(qū)動(dòng)機(jī)制（圖1）。隨著溫度的升高，氫鍵網(wǎng)絡(luò)取向排列誘導(dǎo)MXene納米片層間距降低，從而導(dǎo)致MXene/CNFs復(fù)合納米片被拉平取向，這種“壓縮”效應(yīng)降低了孔隙率，實(shí)現(xiàn)了MXene復(fù)合纖維人工肌肉的收縮驅(qū)動(dòng)。
圖1：MXene復(fù)合纖維人工肌肉收縮驅(qū)動(dòng)的機(jī)理圖
圖2：MXene復(fù)合纖維人工肌肉（MFAMs）與其它非扭轉(zhuǎn)、熱驅(qū)動(dòng)纖維人工肌肉的驅(qū)動(dòng)性能對(duì)比圖（A），MFAMs在人工假肢上的應(yīng)用展示（B）
這項(xiàng)開創(chuàng)性研究成果在人工肌肉領(lǐng)域具有里程碑的意義，其核心創(chuàng)新在于首次制備了MXene復(fù)合纖維人工肌肉，為解決人工肌肉響應(yīng)單一、收縮行程有限、驅(qū)動(dòng)力弱以及應(yīng)用場(chǎng)景受限等瓶頸問題提供了新思路。這一成果不僅拓展了MXene納米材料在人工肌肉領(lǐng)域應(yīng)用的知識(shí)邊界，也為二維納米材料的組裝與應(yīng)用研究提供了新方向。
論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adt1560
來源：
1.Wan, S., Li, X., Chen, Y. et al. High-strength scalable MXene films through bridging-induced densification. Science 374, 96-99 (2021).
2.Yang, J., Li, M., Fang, S. et al. Water-induced strong isotropic MXene-bridged graphene sheets for electrochemical energy storage. Science 383, 771-777 (2024).
3.Li, W., Zhou, T., Zhang, Z. et al. Ultrastrong MXene film induced by sequential bridging with liquid metal. Science 385, 62-68 (2024).
4.Wan, S., Chen, Y., Huang, C. et al. Scalable ultrastrong MXene films with superior osteogenesis. Nature 634, 1103-1110 (2024).
5.Fu, J., Li, Y., Zhou, T. et al. Large stroke radially-oriented MXene composite fiber tensile artificial muscles. Sci. Adv. 11, eadt1560 (2025).
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