凌盛杰课题组：强拉纺丝技术制备高强韧、高性能纤维驱动器

erdingxi

纤维驱动器（Fiber microactuators）是一种在湿度、温度、电等环境刺激下发生类似于人体肌肉收缩和伸展特性的纤维。其环境响应和传感功能，在智能机器人、可穿戴设备、生物传感器和人工肌肉等诸多领域受到广泛关注。
       而自然这个伟大的设计师也创造出许多性能优异的纤维微驱动器。比如蜘蛛丝的主腺体丝，它不仅在力学特性上超过了大多数材料（如聚合物、石墨烯、碳纳米管、形状记忆合金纤维），同时也具有出色的湿度响应扭转功能。环境湿度变化下，其扭转变形超过300°/mm。该值比其他传统的纤维微驱动器(如导电聚合物驱动器(0.01°/mm)和形状记忆合金纤维微驱动器(0.15°/mm))高出数千倍。可惜蜘蛛好斗的天性使得人们难以驯养获得大量蜘蛛丝。

       上海科技大学物质科学与技术学院的凌盛杰团队提出使用可批量生产获得的强拉柞蚕丝(FRSFs)，替代蜘蛛丝制作高性能纤维驱动器，相关成果发表在Advanced Science（DOI: 10.1002/advs.201902743）上。他们通过一种速度可控的强力缫丝方式，从柞蚕口器中直接连续收集结构均匀无宏观缺陷的丝纤维，长度大于1千米。通过高分辨扫描电子显微镜、小角度和广角X射线散射和同步辐射傅里叶变换红外显微光谱等表征，揭示了强拉柞蚕丝中纳米微纤的高取向度及更强的微纤间界面结合与堆积作用促使它们在机械强度和延伸性方面达到平衡。其机械韧性几乎是柞蚕茧丝的两倍，甚至可以与蜘蛛丝相媲美。
       利用纱线纺纱技术，强拉柞蚕丝可被组装成具有可编程驱动功率(0.77-2.1W/kg)的双螺旋湿度驱动器。在4.8秒内，丝纤维微驱动器可以达到6179.3°/s的最大旋转速度，响应速度(1030 r.p.m.)大于由棉、亚麻毛或Tunel32制成的湿度驱动微驱动器，甚至能与电驱动碳纳米管纤维微驱动器相媲美。该微驱动器的平均驱动功率为2.1W/kg，是蚕茧丝纤维驱动器的两倍。该团队详细研究了驱动机理：表面粗糙度和形状梯度触发并促进水在微驱动器上的渗透，从而导致丝的膨胀和收缩。这种协同效应会自发地解开丝单纱线，并保持微执行器的整体加捻平衡。作者推导了螺旋结构与驱动功率之间的定量关系，从而可编程实现不同应用所需的驱动功率。
       我们相信，基于天然柞蚕强拉丝的纤维微驱动器，具有生产成本低、机械性能高、加工性好、生物相容性好等优点，有望在生物医学、智能纺织品、软机器人、人机界面等多个新兴领域得到应用。


       凌盛杰，男，1986年生，上海科技大学 物质科学与技术学院  研究员/博导，美国麻省理工学院-塔夫茨大学博士后，中国复合材料学会会员，ACS Biomaterials Science & Engineering（JCR二区）杂志编委，长期致力于生物大分子、天然结构材料和材料生物学的研究，主要包括：1）同步辐射红外及X射线技术对重组蛋白和天然材料的表征；2）分子动力学模拟对天然材料设计策略的解析；3）生物仿生材料、生物纳米材料和生物功能材料的开发与应用。现主持国家级和省部级等项目6项，作为第一或通讯作者在Nat Rev Mater(1篇), Nat Commun (1篇), Sci Adv (1篇),  Chem Soc Rev (1篇), Prog Polym Sci (1篇), Adv Mater (3篇), Adv Funct Mater (5篇), Nano Lett (1篇), ACS Nano (1篇)等国际材料领域顶级杂志上发表论文30余篇，总影响因子超过400，他引次数超过500次，研究工作多次被国内外同行和媒体作为正面评价和亮点报道，已授权国际专利2项。