隨著軟體機器人和智能可穿戴電子設備的飛速發(fā)展，仿生智能纖維人工肌肉的研究和應用近來被廣泛研究。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?shù)耐饨绱碳し绞较拢a(chǎn)生仿生物肌肉的感知傳感和反饋驅(qū)動動作。其在軟體機器人、智能穿戴以及輔助醫(yī)療等領域有重要的應用前景。針對全固態(tài)人工肌肉纖維驅(qū)動器和傳感器的結(jié)構(gòu)設計、功能優(yōu)化及應用場景展示等問題，中科院蘇州納米所邸江濤、李清文研究團隊開展了長期的研究，近期取得了新進展。

在目前研究的眾多人工肌肉纖維中，基于離子嵌入/脫出的電化學人工肌肉纖維由于其低的工作電壓，無明顯熱效應等特點而引起科研人員的濃厚興趣。但是基于目前的研究現(xiàn)狀，電化學人工肌肉纖維仍然面臨著一些挑戰(zhàn)。例如，目前的電化學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，這嚴重限制了電化學人工肌肉的應用范圍。

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

該電化學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，陰陽離子分別超正負電極遷移并嵌入，使得人工肌肉纖維收縮。當移除電壓時，陰陽離子從電極脫出，人工肌肉纖維恢復原長。

圖1.電化學人工肌肉的結(jié)構(gòu)以及工作原理示意圖

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)成正負電極，浸泡離子液體后即形成電化學人工肌肉(圖2)。

圖2. 電化學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.

PVDF-HFP納米纖維層具有大量的孔隙結(jié)構(gòu)，可以儲存大量的離子，同時具有良好的離子電導率。此外其還具有良好的機械性能，可以作為兩個電極之間的隔膜，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、長期儲存在空氣中，以及打結(jié)后均能夠穩(wěn)定工作(圖3)。

圖3. 電化學人工肌肉纖維的穩(wěn)定性表征.

基于該人工肌肉纖維良好的穩(wěn)定性以及驅(qū)動性能，他們將這種穩(wěn)定的電化學人工肌肉纖維作為驅(qū)動組件應用到仿生機器人器件中。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4. 電化學人工肌肉纖維的應用展示

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(https://doi.org/10.1002/smll.202006181)。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陳韋教授。感謝鄧捷和孫一洋同學提供的幫助。

此外，團隊成員發(fā)現(xiàn)單根碳納米管纖維在裹上凝膠電解質(zhì)后具有獨特的壓電離子效應，對應變極其敏感，經(jīng)歷不對稱拉伸時可在纖維兩端輸出毫伏級別高分辨率、低噪聲的電壓。基于此制備了一種新型全固態(tài)壓電離子纖維作為無源應力傳感器，其輸出傳感電壓的大小可通過拉伸頻率和拉伸應變來調(diào)節(jié)，具有寬頻(0.1-10 Hz)響應性和寬應變(1-80%)響應性。該團隊將此壓電離子纖維無源應力傳感器編入手套中，制備智能手套，可有效識別手勢動作并與機械手進行良好的人機交互。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(https://dx.doi.org/10.1021/acsaelm.0c01044)。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。

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產(chǎn)生機理

圖6. 編入壓電離子纖維無源應變傳感器的智能手套與機械手的人機交互

以上工作得到了工作得到了國家重點研發(fā)計劃(2020YFB1312902，2016YFA0203301)、國家自然科學基金(21975281， 21773293，21603264)等科研項目的支持。