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  近日，杭州師范大學(xué)朱雨田教授團隊聯(lián)合南開大學(xué)劉遵峰教授在《Advanced Functional Materials》發(fā)表最新研究成果，題為《Fast-Response and Large-Deformation Moisture-Driven Janus Structured Fiber Actuator Composed of Multiscale Hydrophilic–Hydrophobic Interfaces》。該研究受自然界濕敏植物結(jié)構(gòu)啟發(fā)，利用聚乙二醇（PEG）合成親水性聚氨酯（SPU），采用并列濕紡技術(shù)構(gòu)筑出具有多尺度親水–疏水界面的Janus結(jié)構(gòu)纖維驅(qū)動器。這種獨特的多層級界面結(jié)構(gòu)可在濕氣作用下快速產(chǎn)生界面應(yīng)變失配，實現(xiàn)高達96.68%的收縮率和58.23% s?1的收縮響應(yīng)速度，其性能水平遠遠超越目前已報道的濕氣響應(yīng)纖維，接近自然界中的生物驅(qū)動系統(tǒng)。該工作為通過界面結(jié)構(gòu)設(shè)計實現(xiàn)濕氣誘導(dǎo)的化學(xué)勢能向機械能高效轉(zhuǎn)化提供了新思路，并為智能仿生驅(qū)動器、柔性機器人及可穿戴設(shè)備等領(lǐng)域的高性能濕氣響應(yīng)材料設(shè)計開辟了新的方向。

  在自然界中，許多植物依靠濕度變化實現(xiàn)種子釋放、捕食等復(fù)雜運動，這種由特定細胞層體積變化差異引發(fā)的濕氣驅(qū)動變形機制，長期以來啟發(fā)了人工驅(qū)動材料的設(shè)計。相比于光、熱、磁等刺激源，濕氣驅(qū)動器能夠直接利用空氣中豐富的水汽能量，無需額外能源供給，因而在柔性機器人、仿生裝置與可穿戴系統(tǒng)中展現(xiàn)出獨特優(yōu)勢。然而，現(xiàn)有濕氣驅(qū)動材料普遍存在響應(yīng)速度慢、形變幅度不足、機械穩(wěn)定性差等瓶頸，難以同時實現(xiàn)“快”與“大”的動態(tài)響應(yīng)。如何通過分子結(jié)構(gòu)與多層次界面的協(xié)同設(shè)計，高效調(diào)控濕敏組分的吸濕溶脹與界面形變傳遞，從而實現(xiàn)媲美天然系統(tǒng)的濕氣驅(qū)動性能，成為當前該領(lǐng)域亟待解決的科學(xué)問題。

一、結(jié)構(gòu)創(chuàng)新：多尺度親水-疏水界面設(shè)計

圖1. Janus纖維驅(qū)動器的制備與表征。a）連續(xù)濕紡制備Janus纖維驅(qū)動器的示意圖；b）Janus纖維批量收集的照片；c–d）Janus纖維拉伸前（c）與拉伸后（d）的照片；e）干燥與濕潤狀態(tài)下的應(yīng)力–應(yīng)變曲線；f–h）不同角度下的掃描電鏡（SEM）圖像，顯示纖維的Janus界面結(jié)構(gòu)；i, j）纖維橫截面的SEM圖像，清晰可見PU與PEG-47區(qū)域的界面；k）打結(jié)狀態(tài)的Janus纖維體現(xiàn)其優(yōu)異柔韌性。

圖2. 濕氣驅(qū)動Janus纖維驅(qū)動器的作用機制與性能。a）濕氣驅(qū)動的變形機制示意圖；b）親水島相在濕氣刺激后的面積變化隨時間的演化；c–d）干燥狀態(tài)下親水性一側(cè)光滑的顯微鏡圖像；e–g）濕潤狀態(tài)下親水性表面的島相結(jié)構(gòu)溶脹導(dǎo)致表面粗糙的顯微鏡圖像。

  以聚乙二醇（PEG）為原料合成的親水性聚氨酯（SPU）被用作濕氣響應(yīng)組分，并與常規(guī)疏水聚氨酯（PU）共混，構(gòu)筑出具有微觀“海–島”相分離的結(jié)構(gòu)體系。該結(jié)構(gòu)中大量分布的親水–疏水界面不僅有助于加快濕氣的傳導(dǎo)與擴散，還顯著促進了水分的吸附與釋放；同時，島相在吸水后發(fā)生溶脹而非溶解，從而維持了體系的力學(xué)穩(wěn)定性。隨后，將該SPU/PU共混物與純PU溶液進行并列濕紡，成功制備出具有宏觀Janus結(jié)構(gòu)的兩性纖維。得益于兩組分硬段中氨基甲酸酯鍵間的氫鍵作用，兩側(cè)界面結(jié)合緊密。當纖維受濕氣刺激時，親水側(cè)的體積膨脹與疏水側(cè)的穩(wěn)定性形成顯著差異，在Janus界面上產(chǎn)生應(yīng)變失配，從而驅(qū)動纖維發(fā)生快速彎曲變形。

二、性能展示：超快響應(yīng)與超大形變

圖3. Janus纖維驅(qū)動器的濕氣響應(yīng)性能。a）Janus纖維在0.7s濕氣作用后的收縮及恢復(fù)過程；b）收縮率隨時間的變化；c）收縮速度隨時間的變化；d）循環(huán)穩(wěn)定性測試；e）本研究驅(qū)動器的曲率、最大響應(yīng)速度及最大收縮率與文獻中已報道濕氣驅(qū)動器的性能對比。

  在濕氣刺激下，Janus纖維驅(qū)動器表現(xiàn)出接近自然生物體系的快速響應(yīng)特性。如圖3所示，纖維僅在受到0.7 秒的濕氣刺激后即可由直線迅速收縮成螺旋形，收縮率達到80.57%，在停止刺激后又能快速恢復(fù)，充分展現(xiàn)出其優(yōu)異的形變能力。此外，Janus纖維的曲率高達 33.33 cm?1，最大響應(yīng)速度可達 14.2 cm?1·s?1，最大收縮率達 96.68%，實現(xiàn)了濕氣驅(qū)動體系中罕見的“高幅度–高速響應(yīng)”協(xié)同性能。經(jīng)過 20 次濕潤–干燥循環(huán)測試后，驅(qū)動器仍能保持穩(wěn)定的收縮比率與響應(yīng)速率，顯示出出色的可逆性與結(jié)構(gòu)耐久性。性能對比結(jié)果表明，本研究構(gòu)建的Janus纖維在收縮速率、響應(yīng)曲率和形變幅度等指標上均處于當前濕氣驅(qū)動纖維體系的領(lǐng)先水平。這一系列結(jié)果充分驗證了多尺度親水–疏水界面結(jié)構(gòu)在加速濕氣傳導(dǎo)、放大界面應(yīng)變失配與提升驅(qū)動效率方面的關(guān)鍵作用，為實現(xiàn)高性能、低能耗的智能柔性驅(qū)動提供了新的材料設(shè)計思路。

三、應(yīng)用展示：從仿生驅(qū)動到柔性智能系統(tǒng)

圖4. 仿生運動示例。a, b）自然鐘蟲（Vorticella）收縮過程；c, d）本研究Janus纖維實現(xiàn)的人工鐘蟲收縮過程；e, f）Janus纖維模擬的人工卷須的濕氣響應(yīng)收縮行為。

圖5. 濕敏智能應(yīng)用示例。a）濕敏智能假發(fā)示意圖；b）由Janus纖維驅(qū)動器制備的濕敏智能假發(fā)；c）i, ii）環(huán)境濕度觸發(fā)LED燈響應(yīng)；iii）濕敏智能開關(guān)電路示意圖。

  憑借Janus纖維驅(qū)動器的超快響應(yīng)與大幅形變特性，本研究成功實現(xiàn)了多種仿生運動。如圖4所示，纖維可模擬自然鐘蟲的快速收縮，以及植物卷須的卷曲運動，充分展示了其在生物啟發(fā)型柔性驅(qū)動器中的潛力。基于這種驅(qū)動能力，研究團隊進一步開發(fā)了濕敏智能假發(fā)與環(huán)境感知裝置（圖5）。當環(huán)境濕度變化時，Janus纖維能夠觸發(fā)假發(fā)卷曲、LED燈亮滅及濕敏開關(guān)動作，實現(xiàn)濕氣感知–機械響應(yīng)–電子控制的耦合。這些應(yīng)用示例表明，該濕氣響應(yīng)Janus纖維不僅可用于仿生驅(qū)動研究，還可拓展至柔性機器人、可穿戴智能設(shè)備及環(huán)境自感知系統(tǒng)，為高性能、低能耗的智能柔性系統(tǒng)設(shè)計提供了新的實現(xiàn)路徑。

四、總結(jié)

  本研究通過構(gòu)建多尺度親水–疏水界面的Janus纖維，實現(xiàn)了濕氣驅(qū)動下的超快響應(yīng)與超大形變。纖維在短時間內(nèi)即可完成高幅度收縮，同時保持優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性和力學(xué)穩(wěn)定性，性能接近天然生物驅(qū)動系統(tǒng)。基于這種驅(qū)動能力，團隊進一步展示了仿生卷須運動、人工鐘蟲收縮以及濕敏智能假發(fā)和環(huán)境感知裝置等應(yīng)用，拓展了其在柔性機器人、可穿戴智能設(shè)備及智能仿生系統(tǒng)中的潛在價值。該工作不僅為濕氣能量向機械能的高效轉(zhuǎn)化提供了新思路，也為未來高性能、低能耗的智能柔性驅(qū)動材料設(shè)計開辟了新的方向。

  論文信息

  標題：Fast-Response and Large-Deformation Moisture-Driven Janus Structured Fiber Actuator Composed of Multiscale Hydrophilic-Hydrophobic Interfaces

  作者：Xiang Ding, Jianwen Chen, Zenghe Liu, Zunfeng Liu, Yutian Zhu

  期刊：Advanced Functional Materials

  DOI：https://doi.org/10.1002/adfm.202518322