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  能夠?qū)崿F(xiàn)自主運(yùn)動(dòng)的自激振蕩人工肌肉在自主軟機(jī)器人和智能設(shè)備中備受青睞。此外，由多刺激驅(qū)動(dòng)的振蕩器引起了廣泛關(guān)注，并在多個(gè)復(fù)雜環(huán)境系統(tǒng)中具有潛在應(yīng)用潛力。然而，大多數(shù)執(zhí)行系統(tǒng)需要手動(dòng)控制開關(guān)，且基于薄膜的扭轉(zhuǎn)/解扭振蕩運(yùn)動(dòng)以及長(zhǎng)度伸長(zhǎng)/收縮振蕩運(yùn)動(dòng)尚未實(shí)現(xiàn)。

  近期，武漢紡織大學(xué)李晶晶、夏治剛教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合中國(guó)藥科大學(xué)周湘教授及南開大學(xué)劉遵峰教授，成功研發(fā)出一種具有Janus結(jié)構(gòu)的螺旋納米纖維復(fù)合薄膜（JNFA），并展示了出色的扭轉(zhuǎn)振蕩、彎曲振蕩、多刺激響應(yīng)性，以及可編程變形和能量轉(zhuǎn)換應(yīng)用。此外，振蕩器可以在不同負(fù)載下實(shí)現(xiàn)連續(xù)的機(jī)械功和連續(xù)的電能輸出。這項(xiàng)工作不僅提供了一種新的扭轉(zhuǎn)振蕩驅(qū)動(dòng)機(jī)制，還實(shí)現(xiàn)了基于水凝膠的雙層多孔納米纖維復(fù)合膜螺旋振蕩器的制備策略。該驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具備扭轉(zhuǎn)自激負(fù)載做功能力、能量轉(zhuǎn)換能力和多刺激響應(yīng)能力，未來(lái)在自主智能設(shè)備、自主能量轉(zhuǎn)換及多場(chǎng)景領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用價(jià)值。

  2026年2月6日，該工作以“Self-oscillatory Twisting Artificial Muscles”為題發(fā)表在Matter上。論文第一作者為武漢紡織大學(xué)李晶晶副教授。通訊作者為夏治剛教授、周湘教授及劉遵峰教授。

圖1. 受鰻魚扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)啟發(fā)的扭轉(zhuǎn)振蕩器：（A）鰻魚自發(fā)扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的圖像。(B) 自振蕩JNFA 薄膜的設(shè)計(jì)原理。(C, D) 鰻魚的物理模型與運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。(E) JNFA扭轉(zhuǎn)振蕩器的設(shè)計(jì)理念。(F, G) 由熱和水分驅(qū)動(dòng)的JNFA薄膜扭轉(zhuǎn)/解扭振蕩機(jī)制。

  該研究受鰻魚扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)啟發(fā)（圖1），率先設(shè)計(jì)了螺旋形的Janus納米復(fù)合纖維人工肌肉。當(dāng)外部刺激（如光、熱和濕度）施加于螺旋復(fù)合膜時(shí)，該兩層復(fù)合膜首先發(fā)生非對(duì)稱體積膨脹，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)和長(zhǎng)度伸縮運(yùn)動(dòng)，從而使人工肌肉遠(yuǎn)離刺激源。分層多孔結(jié)構(gòu)促進(jìn)PVDF-MXene薄膜的散熱和傳遞，以及多孔PAM納米纖維薄膜上的水分子吸附/脫附，從而實(shí)現(xiàn)變形恢復(fù)。基于該薄膜獨(dú)特的Janus結(jié)構(gòu)和自身形狀變化產(chǎn)生的反饋回路，實(shí)現(xiàn)了在熱、光或濕氣等單一恒定環(huán)境刺激下的持續(xù)扭轉(zhuǎn)、彎曲和伸縮振蕩。結(jié)果表明，螺旋人工肌肉的最大扭轉(zhuǎn)/解扭振蕩角可達(dá)2250°，且由熱驅(qū)動(dòng)的長(zhǎng)度伸縮為15.82 mm（圖2）。該驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具備扭轉(zhuǎn)自振蕩負(fù)載做功能力和能量轉(zhuǎn)換能力（圖3），驗(yàn)證了其在自主、智能設(shè)備領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。

圖2. 多重刺激驅(qū)動(dòng)下JNFA薄膜的扭轉(zhuǎn)振蕩。(A) 驅(qū)動(dòng)器薄膜扭轉(zhuǎn)/解扭振蕩圖。(B) 熱刺激下無(wú)負(fù)載扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器的紅外圖像。(C) 無(wú)負(fù)載扭轉(zhuǎn)振蕩器的振蕩溫度隨時(shí)間的變化曲線。(D) 扭轉(zhuǎn)振蕩器的扭轉(zhuǎn)角度及位移隨振蕩時(shí)間的變化曲線。(E) 不同熱臺(tái)溫度下振蕩器扭轉(zhuǎn)角隨時(shí)間的變化曲線。(F) 振蕩器扭轉(zhuǎn)角及位移隨溫度的變化曲線。(G) 近紅外（NIR）光驅(qū)動(dòng)下，振蕩器扭轉(zhuǎn)角度及振蕩位移隨時(shí)間的變化曲線。 (H) 水分驅(qū)動(dòng)下振蕩器扭轉(zhuǎn)角度及振蕩位移隨時(shí)間的變化曲線。

圖3. JNFA薄膜的扭轉(zhuǎn)振蕩與做功。(A) 不同偏轉(zhuǎn)角下振蕩器示意圖。(B) 振蕩器的扭轉(zhuǎn)角度和振蕩位移隨偏轉(zhuǎn)角的變化曲線。(C) 不同負(fù)載下，振蕩器扭轉(zhuǎn)角度隨時(shí)間的變化曲線。(D) 不同螺旋直徑下JNFA 薄膜的做功能力。 (E) 不同負(fù)載下螺旋薄膜的做功能力。 (F) 基于JNFA的發(fā)電機(jī)的連續(xù)電壓輸出曲線。

  該研究成果得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、湖北省青年科技人才培養(yǎng)專項(xiàng)、湖北省高校優(yōu)秀中青年科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)等科研項(xiàng)目的資助。

  原文鏈接https://doi.org/10.1016/j.matt.2025.102602