【科研摘要】對于生物相關應用中的軟機器人，傳感器和控制器，非常需要生物相容性和可生物降解材料制成的拉伸和扭轉人造肌肉。扭曲的纖維可用于制備拉伸和扭曲的人造肌肉，而始終需要扭曲束縛，以避免釋放插入的扭曲，這增加了設備設計的復雜性。此外，還沒有實現對扭曲的纖維人造肌肉的可逆性的調節。最近，南開大學劉遵峰教授團隊通過二硫鍵交聯用來制備新型的無捻的毛發纖維中無束縛的吸濕性拉伸和扭轉纖維人造肌肉。交聯度的增加將纖維人造肌由不可逆的驅動轉化為可逆的驅動。分別對扭曲的，同手卷的和異手卷的頭發纖維實現了不同類型的致動，包括旋轉，收縮和伸長。可逆的扭轉纖維人造肌表現出122.4°mm-1旋轉，同手性和異手性纖維人造肌表現出94％的收縮率和3000％的伸長率，最大工作能力和能量密度分別為6.35 J kg-1和69.8 kJ m-3，分別在暴露于水霧的情況下被實現。這項工作提供了一種新的策略，可以保留生物纖維人造肌肉中插入的扭曲并調整肌肉的可逆性，從而顯示出在生物相容性智能材料，傳感器和機器人技術中的應用前景。相關論文以題為Tuning the reversibility of hair artificial muscles by disulfide cross-linking for sensors, switches, and soft robotics發表在《Materials Horizons》上。【新概念】人體肌肉是具有扭曲結構的自立式纖維致動器，因此非常需要開發無系鏈的可生物降解的扭曲纖維人造肌肉的策略。此外，對于不同的應用場景，可逆和不可逆的人造肌肉都很重要。在這項工作中，團隊通過形成S–S鍵來保留頭發纖維中插入的扭曲，從而實現了對扭轉和拉伸人工肌肉的可逆性的控制。由于頭發中α-角蛋白對水具有靈敏的響應能力，因此人發非常適合通過S-S鍵的化學交聯制備可逆且無系鏈的智能促動器。此外，可以通過控制從–SH鍵到S–S鍵的氧化程度來調整無系繩毛發的可逆性。頭發纖維的這種特定組成將通過使用包含–SH鍵或其他動態可逆共價鍵的天然或人造材料，激發新型扭曲纖維人造肌肉的制備。另外，作為生物材料資源，人發具有高拉伸強度，高隔熱性，完全的生物可降解性，可再生性以及在各地均可使用的優點。【主圖導讀】圖1通過二硫鍵交聯表征人的頭發。圖2頭發人造肌肉的機理和特征。圖3扭曲的頭發人造肌肉的扭轉驅動和力學性能。圖4卷曲頭發人造肌肉的拉伸驅動。圖5使用卷曲的頭發人造肌肉的演示。【總結】團隊開發了一種扭曲輔助的二硫鍵交聯技術，以制備具有濕度響應性，無系鏈的頭發人造肌肉。在硫代乙醇酸銨溶液中將扭曲的頭發纖維還原，以切割S-S鍵的交聯網絡以形成-SH鍵，然后在月桂胺氧化物溶液中氧化，形成新的S-S鍵交聯網絡。上述過程可以設定頭發纖維的形狀，并且分別對絞合和芯軸卷曲纖維實現了扭轉和拉伸驅動。演示了濕度傳感器，電氣開關，爬行機器人和智能發型等應用。這項研究提供了一種新的策略，可以使用生物相容性和可生物降解材料通過化學交聯來制備無系鏈的纖維人造肌肉。參考文獻：doi.org/10.1039/D1MH00234A版權聲明：「高分子材料科學」公眾號旨在分享學習交流高分子聚合物材料學等領域的研究進展。上述僅代表作者個人觀點。如有侵權或引文不當請聯系作者修正。商業轉載或投稿請后臺聯系編輯。感謝各位關注！
