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新材料:關注變形織物驅動器研究方面獲進展

2024/5/14 10:59:00 來源: 評論(0)8293

變形織物

 

  智能主動變形織物是新興的功能材料,在可穿戴織物中具有應用前景,如可以自發調整形狀增加穿戴舒適度或是作為助力設備幫助人類更輕松地提起重物。智能變形織物的運動可以由多種方式觸發。其中,由電化學離子觸發的變形織物具備可控性好、變形程度大、電壓低、響應快及熱效應不明顯等特點,在可穿戴設備中具有應用潛力。然而,開發電化學驅動變形織物卻受到液態工作環境的約束。

  近日,中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所研究員邸江濤等報道了利用電化學驅動仿生肌肉纖維編織而成的主動變形織物。這一織物具有驅動電壓低和響應速度快的特點,并可以脫離液態環境在空氣中穩定工作。研究發現,控制織物中的不同區域纖維收縮,可以實現織物的整體及局部的主動變形。研究初步展示了該電化學驅動主動變形織物在可穿戴助力織物中的應用潛力。

  該研究以碳納米管(CNT)復合纖維為仿生肌肉纖維的原材料,發展了仿生肌肉纖維的連續制備技術,通過控制不同階段中喂線、加捻與收卷等部分之間的相對速度,連續制得米級長度的芯-鞘復合CNT@nylon螺旋纖維。這一纖維結構均勻、具有優異的柔韌性與可編織性,且在編織過程中螺旋結構不被破壞。

  該工作構筑了芯-鞘復合纖維結構。其中,起到驅動活性作用的CNT分布在鞘層,而處于纖維芯部的惰性高分子纖維起到減少昂貴CNT用量的作用。研究發現,具有芯-鞘結構的CNT@nylon復合纖維為電化學離子提供了更大的比表面積以及更短的遷移路徑,這利于離子在纖維內部更多的注入與更快的遷移,CNT@nylon復合仿生肌肉纖維的驅動量可達到26.4%。

  基于仿生肌肉纖維,該研究設計了可在空氣環境穩定工作的主動變形織物。研究顯示,仿生肌肉纖維與輔助纖維平行編織在柔性織物上分別作為工作電極與對電極。為了防止織物變形過程中兩電極之間發生短路,兩纖維電極采用上下交錯的編織方式??椢镏欣w維內以及纖維之間的微孔道結構起到吸附并穩定電解液的作用。研究發現,在工作電極與對電極之間施加電壓,織物中電解液的離子遷入工作電極的CNT層,進而使得CNT@nylon纖維產生收縮驅動。研究人員在織物中編織多組纖維電極對,發現每組電極對可以單獨控制也可以協調控制不同電極對工作。因此,該織物既可以發生整體的收縮又可以發生局部的變形,具有較高的變形自由度。

  進一步,該研究將該電化學驅動主動變形織物進行封裝,并評估了其作為可穿戴助力織物的應用前景。經過透明柔性薄膜封裝后的變形織物具有較高的柔韌性且不發生電解液泄露,在志愿者手臂上工作時隨著電壓的施加發生明顯收縮,且工作過程中織物與手臂之間幾乎沒有溫差。這表明該電化學變形織物具有可在空氣中工作、結構靈活、運動模式可編程及不產熱等特性,有望成為下一代可穿戴設備的候選材料。

  相關研究成果作為補充封面文章,以Knittable Electrochemical Yarn Muscle for Morphing Textiles為題發表在ACS Nano上。研究工作得到國家自然科學基金、國家重點研發計劃和中國博士后科學基金等的支持。

  

  芯-鞘復合CNT@nylon仿生肌肉纖維的優異驅動性能


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