北京时间2022年4月6日晚23时，四川大学程沛研究员团队在Matter上发表了一篇题为“Coiled polymer fibers for artificial muscle and more applications”的新观点论文。
该观点论文重点关注了近年来聚合物螺旋纤维在人工肌肉和其他应用的重要进展，讨论了聚合物的化学结构、聚集态结构以及几何螺旋结构构造对聚合物螺旋纤维的影响，并提出了未来聚合物螺旋纤维人工肌肉设计和应用的发展方向。
论文通讯作者是程沛研究员和秦家强研究员；第一作者是硕士生朱震东。四川大学是第一完成单位。
由于聚合物纤维的化学结构、聚集态结构多样性和几何螺旋结构构造，聚合物螺旋纤维在人工肌肉、软体机器人、智能织物、制冷技术和复合材料等方面都有巨大的应用潜力。本文讨论了聚合物的化学结构、聚集态结构以及几何螺旋结构构造对聚合物螺旋纤维机械性质、热性质的影响。总结了近年来聚合物螺旋纤维在人工肌肉领域及其他领域的应用，并讨论了发展瓶颈以及解决方法。随后本文从聚合物纤维设计和几何螺旋结构构造的角度，给出了未来聚合物螺旋纤维人工肌肉设计的发展方向。最后，本文进一步讨论了聚合物螺旋纤维人工肌肉的一些潜在应用，包括热能发电器件、自供能人工肌肉和扑翼式飞行器。
聚合物螺旋纤维的高度可调控性
多样化的化学结构、可调的聚集态结构和丰富的加工改性方法带来了不同机械性能、热性能和电性能的聚合物纤维。加捻将聚合物纤维制备为具有几何螺旋结构的聚合物螺旋纤维后，产生了新的机械性能和热性能。对于机械性能：聚合物螺旋纤维的取向方向和拉伸轴向产生偏角，这种现象降低了聚合物螺旋纤维在拉伸方向上机械强度的贡献，从而使其具备高度的柔韧性和弹性，这些性质为人工肌肉、可穿戴电子器件以及复合材料的填料提供了应用前景。对于热性能：由于聚合物链具有熵弹性，捻度的插入和释放会引起聚合物纤维的可逆熵变。类似于拉伸和释放拉伸会改变聚合物材料的熵值，插入捻度后聚合物纤维的熵值降低，释放捻度后聚合物纤维的熵值提高，这种捻度带来的熵值变化最终改变了聚合物纤维的温度，这为制冷技术提供了新的思路。
图：聚合物纤维的化学结构、聚集态结构以及聚合物螺旋纤维的应用
基于聚合物螺旋纤维的人工肌肉及其他应用
一端系紧的聚合物螺旋纤维通过在其自由端的解捻来响应任何结构体积变化。假设聚合物螺旋纤维不可伸长，螺旋结构能够适应直径变化的唯一方法是解捻。当聚合物螺旋纤维两端被系紧时，直径的变化只会转化为长度的收缩，因此聚合物纤维的体积膨胀会转化聚合物螺旋纤维人工肌肉的收缩驱动。聚合物纤维的热膨胀和吸湿膨胀是聚合物螺旋纤维人工肌肉两种常见的驱动方式。此外，对橡胶纤维插入捻度会降低熵值，熵值降低导致温度升高，而捻度的释放会使橡胶纤维的熵值增加，熵值增加导致温度降低，这种现象称为扭热效应。这种扭热效应的材料适用性广泛，包括：尼龙纤维、聚乙烯纤维、聚偏氟乙烯纤维、镍钛合金丝等。
基于聚合物螺旋纤维人工肌肉的设计展望
聚合物螺旋纤维人工肌肉在驱动量、能量密度和功率密度等方面表现出较高的性能，但驱动负载低、驱动频率低、能量转换效率低限制了聚合物螺旋纤维人工肌肉的发展。我们相信未来的研究和开发有两条路径可以指导聚合物螺旋纤维人工肌肉的进步。第一是通过合理的聚合物纤维设计和加工工艺来提高聚合物螺旋纤维人工肌肉的驱动性能。基于研究成熟的液晶弹性体纤维和液态金属可能制备出高性能的液晶弹性体螺旋纤维人工肌肉。另一条路径是开发几何螺旋结构构造新方法，将微流体纺丝技术应用于制备各种类型结构的螺旋聚合物纤维，例如：中空结构、核壳结构、Janus、异质型等。
基于聚合物螺旋纤维的应用展望
聚合物螺旋纤维是新兴的复合材料填料，由于其仿生三维结构，可以为复合材料提供新的复合材料增强增韧机制。高强度聚合物纤维制备的聚合物螺旋纤维同时也保持高的拉伸应变，这种填料可能在维持橡胶材料和水凝胶材料高拉伸应变特性的同时提高拉伸强度。另外，聚合物螺旋纤维人工肌肉与其他应用领域的结合可能带来新技术的突破。例如：聚四氟乙烯螺旋纤维人工肌肉与摩擦纳米发电机结合，这可能开发出新的发电技术。太阳能电池和聚合物螺旋纤维的结合，可能开发出自供能的机器人。（来源：科学网）
相关论文信息：https://doi.org/10.1016/j.matt.2022.02.018
