人工肌肉柔性驅動器可將外界刺激轉化為機械運動，在柔性外骨骼、假肢、軟體機器人等領域具有重要應用。利用碳納米管纖維構筑的螺旋卷繞型紗線具有質輕、電導、熱導性能好等優(yōu)點，常被用于制作人工肌肉。其中，直接通電驅動操作方便，結構簡單。然而電熱驅動型紗線常伴隨著降溫慢、頻率性能差等缺點，限制了其實際使用。
近期，江蘇大學智能柔性機械電子研究院丁建寧教授團隊胡興好博士與美國德克薩斯州立大學達拉斯分校雷伊·鮑曼院士課題組合作，提出了一種新型鞘-芯電熱驅動人工肌肉（圖1），具體利用高機械強度有機纖維作芯，復合硅膠的碳納米管作鞘。在高頻驅動過程中，由于鞘、芯材料的導熱系數(shù)不同，使得纖維與空氣的熱交換主要發(fā)生在鞘層（圖2）。因此，該鞘-芯人工肌肉大大縮短了其降溫過程，實現(xiàn)高頻驅動。相關工作以“Fast Large-stroke sheath-driven electrothermal artificial muscles with high power densities”為題發(fā)表在《Advanced Functional Materials》，論文第一作者及通訊作者為江蘇大學胡興好博士，共同通訊作者為雷伊·鮑曼院士。胡興好博士于2016年至2020年師從雷伊·鮑曼院士，開展碳納米管纖維人工肌肉方向的研究。該研究成果已授權中國發(fā)明專利（專利號：201910576614.7）。該項工作得到國家自然科學基金（52105057）、國家博士后基金（2021M691307）和江蘇省科技計劃（BK20200916）的資助。

圖 1 鞘-芯電熱驅動碳納米管纖維人工肌肉制作示意圖

圖2 鞘-芯電熱驅動人工肌肉的輸出性能與降溫模擬

圖3 利用鞘-芯電熱人工肌肉制作的爬行機器人該工作是團隊近期關于碳納米管纖維人工肌肉的最新進展之一。在過去的一年中，團隊通過聚電解質功能化的策略，實現(xiàn)人工肌肉智能材料的“雙極”驅動轉變?yōu)椤皢螛O”驅動，同時發(fā)現(xiàn)了人工肌肉隨電容降低，驅動性能增強的反?，F(xiàn)象（Science 371, 494–498 (2021)），這一重要突破解決了人工肌肉驅動性能的電容依賴性問題，為后續(xù)設計具有無毒、低驅動電壓的高性能驅動器提供新的理論基礎。文章鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202200591?

本文來源：高分子科學前沿