濕驅動仿生人工肌肉纖維材料的研究進展

王 勇 曹吉強 孫安彤 李長龍

（1.生物質纖維與生態染整湖北省重點實驗室，湖北武漢，430200；2.安徽工程大學，安徽蕪湖，241000；3.東華大學，上海，201620；4.新疆大學，新疆烏魯木齊，830046）

智能材料的概念最早在1989 年由日本學者TAKAGI T 提出，是指能夠感知外界環境變化并自身作出調整的功能材料［1?2］。生物肌肉是人體運動系統的重要組成部分，可產生肌肉收縮等運動行為［3?5］。基于“師法自然”這一理念，仿生人工肌肉材料應運而生。人工肌肉（又稱為驅動器）作為智能響應材料的一個重要分支，能感知外界刺激（如氣壓、熱、電、光、pH、葡萄糖、濕度等）而產生可逆的收縮、彎曲和扭轉等行為，在智能服裝、軟體機器人、醫用輔助理療等諸多領域具有潛在應用價值。濕驅動仿生人工肌肉材料以制備簡單、觸發條件溫和等諸多優點而頗受國內外學者關注。本研究對濕驅動人工肌肉材料的驅動原理和制備研究進展進行總結分析，探討亟待解決的問題，以期為推進研究提供參考。

1 不同驅動模式下的人工肌肉材料

1.1 氣壓驅動型

氣動人工肌肉通過壓縮空氣使其產生形變，從而對外界產生輸出力和位移效應。氣動人工肌肉具有結構簡單、功率密度較大、工作介質無污染等優點，但存在驅動行程較小、難以精準控制、便攜性有限等不足。按其結構形式可分為編織型、網孔型、嵌入型和特種型［6?7］。早期發明的Mckib?ben 型氣動人工肌肉隸屬于編織型氣動人工肌肉的一種［8］。近年來，一些衍生結構的氣動人工肌肉被相繼提出，如ZHU M J 等提出的一種片狀流體織物肌肉［9］；LI S G 等提出的基于壓力差驅動的折紙式人造肌肉［10］。

1.2 熱驅動型

熱驅動人工肌肉是指受到溫度變化而使材料形態發生轉變的響應材料。常見材料有導電聚合物［11］、碳納米管彈性復合材料［12］、碳納米管［13］、高聚物長絲［14］、液晶聚合物［15?16］等。按其結構分為片層狀和纖維狀［17］。片層結構通常由柔性電極和聚合物構成，利用兩者間的熱膨脹系數差來實現材料彎曲運動；纖維狀結構（螺旋線圈型）在熱驅動下可實現自由伸縮。

1.3 電驅動型

電驅動材料可在電流或電場刺激下產生力學響應。按作用機理不同分為電子型和離子型［18］。電子型驅動材料通過靜電作用使聚合物分子鏈重新排列，從而實現膨脹或收縮；離子型驅動材料通過離子的定向移動來實現材料的彎曲等變形。

1.4 光驅動型

與其他刺激源相比，光可對材料實施瞬時驅動而使其產生彎曲運動，且無需與材料接觸，可有效避免因材料污染而造成的驅動性能下降。但存在響應速率較慢等不足，限制其大面積推廣。

1.5 pH 驅動型

這類材料的結構和性能在受到外部pH 改變刺激時會發生變化。例如DAI L 等制備一種木質素水凝膠驅動器，可在酸/堿溶液中快速、可逆地實施響應［19］。

1.6 濕驅動型

這類材料能夠感知外界濕度或水分變化而改變其自身結構，進而實現可逆的彎曲、伸縮、旋轉等形變。按其宏觀形態分為片層狀和纖維狀兩類。該類材料以其制備簡單、環境友好、觸發條件溫和等諸多優點而頗受關注。

2 濕驅動仿生人工肌肉材料的發展

2.1 片層狀濕驅動仿生人工肌肉

片層狀濕驅動仿生人工肌肉主要分為兩大類：第一類對于不對稱異質片層結構而言，一般為雙層材料復合而成，各層材料的吸水膨脹能力存在顯著差異性。當材料暴露于濕環境中時，吸水膨脹能力較高的一側材料會以較大的驅動幅度向較差（或無）吸水膨脹能力的另一側彎曲；第二類對于對稱同質片層結構而言，當材料兩側的濕度或水分相當時，材料會發生潤濕膨脹但無明顯的彎曲；而當材料兩側濕度或水分差異較大時，水分子進入材料內部，使材料發生潤濕膨脹的同時，向濕度或水分較大一側拱起，最終可使材料發生彎曲變形。

關于不對稱異質片層結構濕驅動仿生人工肌肉，LI X K 等制備具有可逆雙向濕度和近紅外光致動能力的雙層膜［20］。一層為自組裝纖維素納米晶（CNC）膽甾相液晶層，另一層為添加具有高光熱轉換效率納米銀（AgNPs）的聚氨酯（PU）彈性體層。當驅動器暴露于濕態環境時，CNC 層開始吸水膨脹，使其以較大驅動幅度向非吸收性PU 層彎曲。

關于對稱同質片層結構濕驅動人工肌肉，YANG L Y 等采用原位自發聚合法在MXene 納米片層表面均勻修飾聚多巴胺（PDA）薄層，可有效解決該納米片抗氧化性問題。以超細化細菌纖維素納米纖維作為黏結支撐柔性基底，通過自組裝過程，獲得仿珍珠層狀結構的濕敏型薄膜驅動器［21］。

2.2 纖維狀濕驅動仿生人工肌肉

受自然界中植物螺旋藤蔓和人體DNA 結構的啟發，纖維狀（又稱為螺旋線圈狀）濕驅動仿生人工肌肉是除片層狀之外的另一種主要結構形式，能夠在濕度和水分刺激下發生伸縮、旋轉等復雜形變行為。

2.2.1 伸縮型

2.2.1.1 研究情況

2015 年，LIMA M D 等將硅橡膠填充的碳納米管施加強捻，制備出一種螺旋卷繞型復合人工肌肉材料，該材料對己烷具有高度敏感性。通過調節外應力，其最大收縮動程可達50%，外應力20 MPa時的最大收縮做功可達1 180 J/kg［22］。

2016 年，GU X G 等將碳納米管（CNT）經過聚3，4?乙烯二氧噻吩∶聚苯乙烯磺酸鹽（PEDOT∶PSS）溶液，制備PEDOT∶PSS@CNT 驅動器。該驅動器在水分刺激下表現出優異的收縮性。通過調節外應力，其最大收縮動程可達68%，外應力39 MPa 時的最大收縮做功約為300 J/kg［23］。

2016 年，KIM S H 等在碳納米管中引入親水性聚二烯丙基二甲基氯化銨（PDDA）客體材料，制備PDDA@CNT 混合型螺旋線圈狀肌肉材料。其最大收縮動程可達78%，最大收縮做功為2 170 J/kg。經過循環100 次后其最大收縮動程基本保持不變。此外，在實測水溫0 ℃～90 ℃范圍內，濕驅動性能與水溫無關［24］23016。

2018 年，YANG X H 等對天然棉、毛、麻等纖維施加強捻，利用上述纖維吸濕膨脹各向異性特性，制備出天然纖維濕驅動肌肉。其中，棉纖維人工肌肉最大收縮動程和收縮做功分別為16.6%和200 J/kg，羊毛纖維人工肌肉最大收縮動程和收縮做功分別為38%和194 J/kg，麻纖維人工肌肉最大收縮動程和收縮做功分別為11.4% 和44 J/kg［25］32262。2020 年，LI Y 等分別選用粘膠長絲和粘膠短纖紗，通過加強捻的方式制備出粘膠基濕驅動人工肌肉。研究表明，基于粘膠短纖紗人工肌肉的收縮能力明顯優于長絲基人工肌肉，主要是因為人工肌肉濕驅動性受材料結晶度的影響，粘膠長絲的結晶度明顯高于短纖紗。粘膠短纖紗基人工肌肉的最大收縮動程約為32.8%，外加應力為0.75 MPa時的最大收縮做功可達110 J/kg［26］。

2018 年，JIN K Y 等通過施加強捻手段制備單螺旋碳納米管人工肌肉，為克服單螺旋肌肉材料結構不穩定等不足，采用對折自捻合法，制備出自支撐型碳納米管肌肉材料。該材料在有機溶劑如丙酮的刺激下表現出優異的收縮驅動性能，但不發生扭轉驅動。在外應力為4.8 MPa 時達到最大收縮動程13.3%，當外應力為9 MPa 時其收縮做功能力最大，可達847.2 J/kg［27］。

2018 年，SUN Y P 等采用化學氣相沉積技術合成單臂碳納米管（SWNT）薄膜，采用改進Hummers 方法合成氧化石墨烯（GO）。將收集有SWNT 薄膜的轉輪通過GO 溶液，自然風干后從轉輪上剝離備用。將GO@SWNT 薄膜切成細長條帶狀，而后加捻制備成纖維狀驅動器。研究表明：該驅動器對水分具有敏感性，且不同直徑的驅動器具有不同的收縮能力。伴隨著直徑的增加，其收縮動程逐漸增加。直徑為350 μm 時收縮動程達到最大，約為50%［28］。

2019 年，JIA T J 等制備出螺旋卷繞型蠶絲人工肌肉（直徑262 μm，彈簧指數1.8）。肌肉在接觸水分后產生的最大收縮動程為3.3%，最大收縮做功為73 J/kg。通過對折自捻合法制備雙螺旋蠶絲肌肉，在此基礎上經過卷繞和熱定形等手段可制備蠶絲伸縮肌肉，通過改變手性、捻度、濕度等因素可以調控其驅動性能。研究表明：濕度增加時，同手性肌肉產生收縮，而異手性肌肉伸長。當環境相對濕度從20%變化至90%時，其最大收縮動程達70%［29］1808241.9。2020 年，HU X Y 等研究發現，通過改變手性、捻度、濕度、彈簧指數等因素可調控竹纖維伸縮肌肉的濕驅動性能，同手性肌肉的最大收縮動程為50%，而收縮做功僅為1.08 J/kg［30］118103.6。

2021 年，WANG Y 等從荷花桿中直接抽絲得到直徑約為20 μm 的條帶狀荷花纖維，對荷花纖維加強捻后可制得高效濕度/水分響應的伸縮型人工肌肉。通過調節外加應力，其最大收縮沖程可達33%，外加應力為20 MPa 時的最大收縮做功能力約為392 J/kg。經表面親水改性后，其最大收縮沖程和最大收縮做功可達38% 和450 J/kg［31］6646。

2021 年，WANG Y 等基于純亞麻紗線，通過調節制備過程中紗線合股數和懸掛重錘質量等參數，得出不同條件下對應的臨界捻度值，對后續紡制結構成形良好的純亞麻紗伸縮型人工肌肉提供基礎。研究表明，單螺旋人工肌肉最大收縮沖程可達24.1%，最大收縮做功為111.4 J/kg。進一步采用對折自捻合法制備出自平衡型雙螺旋人工肌肉，最大收縮動程約為18.2 %［32］075031。

伸縮型材料的濕驅動性能受原材料種類、肌肉構型（如單螺旋型、對折自捻合雙螺旋型、中空芯軸型）、負載等諸多因素的綜合影響，不同條件下的輸出參數會發生變化。

2.2.1.2 伸縮型肌肉常見的結構及濕驅動機制

單螺旋型人工肌肉是最基礎的類型，是指對制備肌肉所用原料（既可為同種材料也可為混合型材料）施加強捻（S 捻或Z 捻），最終加工成螺旋線圈狀。其優點是加工裝置和制備工序簡單，缺點是該類型肌肉在自然狀態下會發生一定程度的退捻，故在后續使用時需將其兩端固定以防止其發生解捻行為。該類型肌肉的濕驅動機制：親水基團的作用是影響材料吸濕性最本質的因素。以天然纖維原料為例，其內部存在極性基團。纖維吸濕后，其橫向膨脹大于縱向膨脹，表現出顯著的各向異性特征。螺旋狀的纖維紗線可將徑向面的轉動轉化為軸向面的收縮，從而形成伸縮驅動。

對折自捻合型雙螺旋人工肌肉，先是將纖維施加強捻加工成單螺旋線圈狀，再在其中間位置處對折，會自動發生反向捻合，最終形成雙螺旋結構。該類型人工肌肉在自然狀態下可以抵消單股人工肌肉所產生的扭矩，最終使材料在濕驅動下不發生扭轉變形而僅發生長度方向的自由伸縮。

中空芯軸型人工肌肉，是在材料加捻后即將卷曲時，利用一個大直徑的芯軸把肌肉做成中空結構。這種結構在制作時需要注意解旋問題，即在加捻完成后必須進行初次熱定形，然后再卷繞在芯軸上作再次熱定形。該類人工肌肉結構中存在更大的線圈間隙，可為收縮提供更大的運動空間，使收縮率大大提升，但其負載能力明顯降低［33］。

2.2.2 旋轉型

2.2.2.1 研究情況

2015 年，HE S S 等用高取向度的碳納米管加捻成扭曲纖維，用氧等離子對其表面進行親水改性。將多根親水處理后的碳納米管纖維施加過量捻度，制備出具有多級結構特征的碳納米管人工肌肉，纖維表面嫁接的羥基和纖維之間的溝壑有利于水分子的吸附和肌肉的快速驅動響應。試驗表明，該肌肉在高濕態（相對濕度80%以上）環境下產生22.8 MPa 的收縮應力。與水接觸后可產生瞬時扭轉，最大轉速可達170.3 r/min［34］。

2019 年，JIA T J 等通過對蠶絲纖維加捻后以對折自捻合的方式制備了雙螺旋蠶絲扭轉肌肉。當暴露在水霧高濕態環境中時，蠶絲扭轉肌肉可以提供完全可逆的扭轉動程，最大旋轉速度和扭轉動程分別為1 125 r/min 和547°/mm。經過500次循環后仍保持良好的驅動性能［29］1808241.6。2020年，LI Y Y 等采用對折自捻合法，調節捻度和合股數等因素，制備一系列棉纖維雙螺旋濕驅動人工肌肉。當暴露在濕態環境中時，可產生的最大扭轉速度和扭轉動程分別為720 r/min 和42.55°/mm［35］。同樣地，竹纖維扭轉肌肉的最大扭轉動程可達64.4°/mm［30］118103.8。

2020 年，LIN S H 等采用對折自捻合法制備純蠶絲扭轉肌肉。通過改變蠶絲合股數等參數可調控其濕驅動性能。該肌肉可在4.8 s 內達到最大轉速1 030 r/min［36］1902743。

2020 年，HUANG L B 等對聚酰胺?6 靜電紡纖維施加強捻制備出螺旋線圈狀人工肌肉。該材料在有機溶劑如二氯甲烷、丙酮、甲醇、乙酸乙酯、四氫呋喃、乙醇等的刺激下表現出優異的旋轉性能，其中二氯甲烷的敏感性最高，其轉速約為200 r/min。進一步研究發現，最大轉速與肌肉的直徑、長度、懸掛質量等因素密切相關［37］。

2021 年，WANG Y 等從荷花桿中直接抽絲得到直徑約為20 μm 的條帶狀荷花纖維，采用強捻?自捻合法，最終制得結構穩定的類股線旋轉型人工肌肉。通過優化捻度，旋轉人工肌肉最大旋轉動程可達200°/mm，最大轉速可達200 r/min，具有很好的循環穩定性［31］6644。

旋轉型肌肉材料的濕驅動性能同樣受原材料種類、肌肉構型（如對折自捻合雙螺旋型、單螺旋型等）、負載等諸多因素的綜合影響。

2.2.2.2 旋轉型肌肉常見結構及濕驅動機制

旋轉型濕驅動人工肌肉常見結構有單螺旋型和對折自捻合型。對折自捻合雙螺旋人工肌肉結構的成形方法：對纖維原料施加一定的捻度后停止加捻，該結構在自然狀態下不穩定并且趨于解捻，故將加捻的纖維從其中間處對折，兩股加捻纖維會自動捻合在一起，其自捻合方向與纖維加捻方向相反，最終可得到力矩平衡的具有雙螺旋結構的旋轉型濕驅動人工肌肉。其中，自捻合密度與纖維初始加捻密度密切相關，呈正相關。在濕態下，旋轉肌肉的每股單螺旋纖維都會發生體積膨脹產生解捻現象，使得兩個單螺旋纖維同時向解捻方向扭轉，將會導致這兩股纖維更加緊密地捻合在一起，而水分蒸發后（干態）則相反［38］41。單螺旋旋轉型人工肌肉結構在濕度刺激下產生扭轉變化，是由于在濕態環境下纖維集合體發生體積膨脹而產生解螺旋導致的。

3 濕驅動仿生人工肌肉材料的應用

濕驅動仿生人工肌肉具有環境友好特性，無需外界施加能量，僅需濕氣/水分刺激即可實現“自驅動”，近年來頗受關注。相比于片層狀肌肉材料而言，纖維狀肌肉材料制備工序簡單，僅需通過傳統加捻紡紗技術即可成形，具有廣泛的應用前景。

（1）工業用機械臂。將單螺旋麻纖維肌肉與模型挖掘機相組合，制作工業用機械臂，其在濕/干態環境下可實現可逆伸縮，模擬鏟斗的提升運動［32］075031。將荷花纖維人工肌肉集成到人造手臂上，可在30 s 內將上臂和前臂夾角縮小40°［31］6647。

（2）智能通風換氣窗戶，可調節窗戶的打開與閉合。KIM S H 等設計一種通風系統，上面的擋板固定在頂板上，下面的擋板連接到肌肉末端。當濕度增加時，肌肉收縮帶動擋板上升，反之則下降［24］23016。

（3）“可呼吸”服裝面料可實現服裝溫度調節，實時改善穿著舒適性。YANG X H 等設計了一種濕度敏感的織物結構，可根據個人出汗情況迅速、可逆地改變其孔隙率。當穿著者出汗時，氣孔遇水膨脹打開，增加了織物透氣性［25］32263。

（4）促進傷口愈合的醫用輔助裝置。將雙螺旋蠶絲肌肉貼附在傷口表面，在濕態環境下，傷口會逐漸貼合在一起，以達到促進傷口愈合的目的［36］1902743。

（5）天然濕度計。利用中空芯軸型同手性蠶絲伸縮肌肉在不同相對濕度氛圍下的收縮長度不同，標記不同長度所對應的相對濕度值，環保實用［38］66。

4 結語

濕驅動仿生肌肉材料發展日趨成熟，性能不斷提升，今后還需要從以下方面不斷深入研究。一是開發具有多重刺激響應的人工肌肉材料。目前單一驅動人工肌肉材料的制備已相對成熟，將不同材料進行組合以及采取不同的制備方式以實現不同模式的驅動性能，值得深究。二是濕驅動肌肉材料回程干燥技術的集成一體化。目前主要通過自然風干或電熱槍等方式使濕態肌肉干燥，控制精度較低。如何將電加熱材料集成到肌肉中，通過焦耳熱方式對材料實施返程精準驅動，提升濕驅動人工肌肉的回程速率值得關注。三是仿生人工肌肉濕驅動耐久性的提升。目前制備的大多數濕驅動肌肉在循環使用情況下會產生疲勞效應，如何降低或消除肌肉的疲勞效應，實現高效耐久性的往復驅動性能有待解決。四是進一步拓展纖維狀濕驅動人工肌肉材料結構的多樣性，并通過機織、針織、編織等加工手段集成智能紡織品，實現更為復雜的運動，以期進一步提升其綜合驅動性能。