如今，生物仿生学领域受到了广泛关注，通过模仿自然界独特的形态和结构特征，开发出了许多具有非凡性能的新型材料。其中，生物系统中常见的螺旋结构因其有序排列，可提供可控的机械和扭转特性。例如，蜘蛛丝的分子链一般由排列成螺旋结构的蛋白质分子组成，这有助于提高其强度和韧性。此外，DNA分子具有稳定的螺旋结构，可提高遗传信息传输和存储的稳定性，同时在复制和转录过程中为扭转运动提供必要的灵活性。研究人员已设计并制造出多种仿生螺旋纤维，研究表明螺旋结构可促进沿纤维轴线的应力分布更加均匀，从而减少结构缺陷和堆积密度。因此，智能螺旋纤维是制备人工肌肉和可穿戴电子设备领域软执行器的理想候选材料。
目前，一系列弹性材料（如聚氨酯、液晶弹性体 (LCE)、形状记忆材料）和韧性材料（如聚酰胺、碳纤维、玻璃纤维、陶瓷纤维）已被提出用于制造仿生螺旋纤维致动器。其中，LCE螺旋纤维致动器因其双向记忆效应、大变形能力和灵敏的响应性脱颖而出。然而，在长期运行过程中，轻交联网络在外力作用下极易发生链段移动和分子间相对滑移，从而导致LCE纤维致动器显著的蠕变现象和较差的机械性能，这极大地限制了纤维致动器在加工和应用过程中的机械稳定性和驱动性能，往往会造成驱动输出低、做功能力低、易受冲击和重复使用性不理想等问题。
受生物螺旋结构的启发，江南大学魏取福教授、吕鹏飞教授团队联合北京大学邵元龙教授团队通过简便的干湿法纺丝和加捻技术，开发出一种坚固的复合螺旋纱线致动器，它由作为驱动相的LCE纤维和作为增强相的细菌纤维素 (BC) 纤维组成。BC是一种环保、低成本的天然生物质材料，具有优异的机械性能和三维纳米纤维网络，是增强相的理想候选材料。在这项工作中，通过协调流动剪切和机械牵伸，获得了单轴取向的LCE纤维和具有有序连锁网络的BC纤维。所设计的仿生螺旋结构可有效分担LCE纤维上的应力，抑制分子链之间的滑移，从而提高纱线的整体机械强度，进而解决LCE纤维的蠕变问题。此外，螺旋纱线致动器还能在热收缩过程中产生快速、可逆的解捻旋转运动。作为概念验证，基于LCE/BC螺旋纱线组装了多种仿生启发的智能微型装置，包括微型滚动装置、软抓手和无源微电机。这种软物质工程策略为开发高性能生物基复合纱线致动器提供了一种新方法，有望应用于先进能源、软机器人和可穿戴电子设备等领域。
图1. a) LCE/BC螺旋纱线致动器的制备过程示意图。b) LCE纤维、c) BC纤维和d) LCE/BC 螺旋纱线致动器的扫描电子显微镜图像（插图显示横截面形态）。
图2. a) 紫外线照射前后EDDET、PETMP、RM257和LCE纤维的傅立叶变换红外分析。b) LCE纤维和 c) BC纤维的2D-WAXS方位角图像。 d) 不同组分比的螺旋LCE/BC纱线致动器的光学图像。 e) 不同组分比的LCE/BC纱线致动器的拉伸强度和杨氏模量图。g) 不同捻度角的LCE/BC纱线致动器的拉伸强度和杨氏模量图。 h) 不同LCE纤维/纱线致动器的机械强度Ashby图。 i) 20天内LCE纤维和LCE/BC纱线的蠕变伸长率。
图3. LCE/BC螺旋纱线致动器的热驱动性能。 a) LCE/BC纱线致动器可逆热收缩时的物理和红外图像。 b) LCE/BC螺旋纱线可逆热驱动机理图。 c) LCE/BC 螺旋纱线致动器的驱动应变随温度变化的曲线。 d) LCE纤维和LCE/BC 螺旋纱线致动器的驱动应变分别随施加应力变化的曲线。e) LCE纤维和LCE/BC螺旋纱致动器的工作能力分别随外加应力变化的曲线。 f) 热驱动过程中驱动应变随时间变化的曲线。 g) LCE/BC螺旋纱致动器的热驱动重复使用性。 h) LCE纤维/纱线致动器的四个驱动参数和机械强度的雷达图。
图4. a) 由LCE/BC纱线致动器组成的刺激响应软抓手示意图。 b) 软抓手在热刺激下工作的物理和红外图像。c) 软抓手工作过程中LCE/BC纱线长度与时间的关系曲线。 e) 基于LCE/BC纱线致动器的无源微型马达示意图。g) 旋转角度和 h) 叶片角速度随时间变化的曲线。 i) 无源微型马达的重复使用性能。
研究表明所制备的LCE/BC螺旋纱线致动器具有高机械强度（43.9 MPa），蠕变现象也得到了显著改善，明显优于已报道的LCE纤维致动器（1.4-30.8 MPa）。此外，所设计的LCE/BC螺旋纱线致动器表现出高做功能力（304.1 J/kg）和可靠的重复使用性。这项研究成果有望为通过仿生工程策略开发高性能、耐用的智能纱线致动器提供启示。相关工作以“Facile Integration of Bacterial Cellulose with Liquid Crystal Elastomers Enables Robust Biomimetic Helical Yarn Actuators”为题，发表于Small（DOI: 10.1002/smll.202411178）期刊上，文章共同第一作者为江南大学纺织科学与工程学院硕士研究生任凌芸和博士研究生武丁胜，通讯作者为江南大学魏取福教授、马丕波教授、吕鹏飞研究员和北京大学邵元龙教授。
论文信息：
Facile Integration of Bacterial Cellulose with Liquid Crystal Elastomers Enables Robust Biomimetic Helical Yarn Actuators
Lingyun Ren, Dingsheng Wu, Xiaotao Ma, Jie Li, Jingli Zhang, Xiaocui Zhang, Yajing Yu, Pan Xue, Pengfei Lv,* Yuanlong Shao,* Pibo Ma,* Qufu Wei*
Small
DOI: 10.1002/smll.202411178
原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202411178
