隨著軟體機(jī)器人和智能可穿戴電子設(shè)備的飛速發(fā)展，仿生智能纖維人工肌肉的研究和應(yīng)用近來被廣泛研究。人工肌肉纖維具有與生物肌肉纖維相類似的功能和結(jié)構(gòu)，在適當(dāng)?shù)耐饨绱碳し绞较?，產(chǎn)生仿生物肌肉的感知傳感和反饋驅(qū)動(dòng)動(dòng)作。其在軟體機(jī)器人、智能穿戴以及輔助醫(yī)療等領(lǐng)域有重要的應(yīng)用前景。針對(duì)全固態(tài)人工肌肉纖維驅(qū)動(dòng)器和傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、功能優(yōu)化及應(yīng)用場(chǎng)景展示等問題，中科院蘇州納米所邸江濤、李清文研究團(tuán)隊(duì)開展了長(zhǎng)期的研究，近期取得了新進(jìn)展。

在目前研究的眾多人工肌肉纖維中，基于離子嵌入/脫出的電化學(xué)人工肌肉纖維由于其低的工作電壓，無明顯熱效應(yīng)等特點(diǎn)而引起科研人員的濃厚興趣。但是基于目前的研究現(xiàn)狀，電化學(xué)人工肌肉纖維仍然面臨著一些挑戰(zhàn)。例如，目前的電化學(xué)人工肌肉纖維主要是基于液態(tài)的工作體系，無法在空氣中穩(wěn)定的工作，這嚴(yán)重限制了電化學(xué)人工肌肉的應(yīng)用范圍。

針對(duì)上述挑戰(zhàn)，中科院蘇州納米所邸江濤、李清文團(tuán)隊(duì)從材料選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出發(fā)，構(gòu)筑了一種離子液體填充納米纖維鞘層的電化學(xué)人工肌肉纖維。

圖1 電化學(xué)人工肌肉的結(jié)構(gòu)以及工作原理示意圖

該電化學(xué)人工肌肉纖維能夠在空氣中穩(wěn)定工作，其結(jié)構(gòu)以及工作原理如圖1所示。施加低電壓時(shí)，陰陽離子分別超正負(fù)電極遷移并嵌入，使得人工肌肉纖維收縮。當(dāng)移除電壓時(shí)，陰陽離子從電極脫出，人工肌肉纖維恢復(fù)原長(zhǎng)。

圖2 電化學(xué)人工肌肉纖維的制備流程及結(jié)構(gòu)表征。a. 制備流程；b. CNT 纖維；c. PVDF-HFP/CNT纖維；d. PVDF-HFP/CNT纖維截面；e. 加捻后的PVDF-HFP/CNT纖維；f. 自絞合后的PVDF-HFP/CNT纖維；g. 集束后的PVDF-HFP/CNT纖維.

首先他們利用原位靜電紡絲技術(shù)，在碳納米管(CNT)纖維表面均勻沉積一層PVDF-HFP納米纖維。接著將PVDF-HFP/CNT復(fù)合纖維加捻成螺旋結(jié)構(gòu)，通過自絞合、剪切等分別構(gòu)成正負(fù)電極，浸泡離子液體后即形成電化學(xué)人工肌肉（圖2）。

圖3 電化學(xué)人工肌肉纖維的穩(wěn)定性表征

PVDF-HFP納米纖維層具有大量的孔隙結(jié)構(gòu)，可以儲(chǔ)存大量的離子，同時(shí)具有良好的離子電導(dǎo)率。此外其還具有良好的機(jī)械性能，可以作為兩個(gè)電極之間的隔膜，從而避免了短路現(xiàn)象。離子液體具有寬的電化學(xué)窗口，低的蒸汽壓。因此離子液體填充納米纖維鞘層的電化學(xué)人工肌肉具有良好的穩(wěn)定性。其可以在寬范圍的環(huán)境濕度和溫度下、長(zhǎng)期儲(chǔ)存在空氣中，以及打結(jié)后均能夠穩(wěn)定工作（圖3）。

圖4 電化學(xué)人工肌肉纖維的應(yīng)用展示

基于該人工肌肉纖維良好的穩(wěn)定性以及驅(qū)動(dòng)性能，他們將這種穩(wěn)定的電化學(xué)人工肌肉纖維作為驅(qū)動(dòng)組件應(yīng)用到仿生機(jī)器人器件中。圖4展示了仿生手臂和三爪抓手。通過集束增加輸出力，人工肌肉纖維可以提起自身重量近百倍的小啞鈴。將人工肌肉纖維與彈簧集成制備的三爪抓手，像人的手一樣可以抓取、保持、釋放重物。

圖5 碳納米管纖維新型壓電離子纖維結(jié)構(gòu)示意圖及其壓電離子效應(yīng)產(chǎn)生機(jī)理

該成果以Strong and Robust Electrochemical Artificial Muscles by Ionic-Liquid-in-Nanofiber-Sheathed Carbon Nanotube Yarns為題發(fā)表在small上。論文第一作者是博士生任明，通訊作者為邸江濤研究員和李清文研究員，合作者包括香港理工大學(xué)陳韋教授。感謝鄧捷和孫一洋同學(xué)提供的幫助。

圖6 編入壓電離子纖維無源應(yīng)變傳感器的智能手套與機(jī)械手的人機(jī)交互

此外，團(tuán)隊(duì)成員發(fā)現(xiàn)單根碳納米管纖維在裹上凝膠電解質(zhì)后具有獨(dú)特的壓電離子效應(yīng)，對(duì)應(yīng)變極其敏感，經(jīng)歷不對(duì)稱拉伸時(shí)可在纖維兩端輸出毫伏級(jí)別高分辨率、低噪聲的電壓?；诖酥苽淞艘环N新型全固態(tài)壓電離子纖維作為無源應(yīng)力傳感器，其輸出傳感電壓的大小可通過拉伸頻率和拉伸應(yīng)變來調(diào)節(jié)，具有寬頻（0.1-10 Hz）響應(yīng)性和寬應(yīng)變（1-80%）響應(yīng)性。該團(tuán)隊(duì)將此壓電離子纖維無源應(yīng)力傳感器編入手套中，制備智能手套，可有效識(shí)別手勢(shì)動(dòng)作并與機(jī)械手進(jìn)行良好的人機(jī)交互。該成果以Gel-Electrolyte-Coated Carbon Nanotube Yarns for Self-Powered and Knittable Piezoionic Sensors為題發(fā)表在ACS Applied Electronic Materials上。論文第一作者是北航李敏教授和課題組博士生喬健，通訊作者為邸江濤研究員和李清文研究員。

以上工作得到了工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2020YFB1312902，2016YFA0203301）、國(guó)家自然科學(xué)基金（21975281， 21773293，21603264）等科研項(xiàng)目的支持。

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