二硫鍵交聯來調節感測器,開關和軟機器人的頭髮人造肌肉的可逆性

【科研摘要】

對於生物相關應用中的軟機器人,感測器和控制器,非常需要生物相容性和可生物降解材料製成的拉伸和扭轉人造肌肉。

二硫鍵交聯來調節感測器,開關和軟機器人的頭髮人造肌肉的可逆性

扭曲的纖維可用於製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,這增加了裝置設計的複雜性。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

透過二硫鍵交聯用來製備新型的無捻的毛髮纖維中無束縛的吸溼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。

二硫鍵交聯來調節感測器,開關和軟機器人的頭髮人造肌肉的可逆性

分別對扭曲的,同手卷的和異手卷的頭髮纖維實現了不同型別的致動,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,分別在暴露於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並調整肌肉的可逆性,從而顯示出在生物相容性智慧材料,感測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,對於不同的應用場景,可逆和不可逆的人造肌肉都很重要。在這項工作中,團隊透過形成S–S鍵來保留頭髮纖維中插入的扭曲,從而實現了對扭轉和拉伸人工肌肉的可逆性的控制。

由於頭髮中α-角蛋白對水具有靈敏的響應能力,因此人發非常適合透過S-S鍵的化學交聯製備可逆且無系鏈的智慧促動器。

此外,可以透過控制從–SH鍵到S–S鍵的氧化程度來調整無繫繩毛髮的可逆性。頭髮纖維的這種特定組成將透過使用包含–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製備。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】

二硫鍵交聯來調節感測器,開關和軟機器人的頭髮人造肌肉的可逆性

圖1

透過二硫鍵交聯表徵人的頭髮。

二硫鍵交聯來調節感測器,開關和軟機器人的頭髮人造肌肉的可逆性

圖2

頭髮人造肌肉的機理和特徵。

二硫鍵交聯來調節感測器,開關和軟機器人的頭髮人造肌肉的可逆性

圖3

扭曲的頭髮人造肌肉的扭轉驅動和力學效能。

二硫鍵交聯來調節感測器,開關和軟機器人的頭髮人造肌肉的可逆性

圖4

捲曲頭髮人造肌肉的拉伸驅動。

二硫鍵交聯來調節感測器,開關和軟機器人的頭髮人造肌肉的可逆性

圖5

使用捲曲的頭髮人造肌肉的演示。

【總結】

團隊開發了一種扭曲輔助的二硫鍵交聯技術,以製備具有溼度響應性,無系鏈的頭髮人造肌肉。在硫代乙醇酸銨溶液中將扭曲的頭髮纖維還原,以切割S-S鍵的交聯網路以形成-SH鍵,然後在月桂胺氧化物溶液中氧化,形成新的S-S鍵交聯網路。上述過程可以設定頭髮纖維的形狀,並且分別對絞合和芯軸捲曲纖維實現了扭轉和拉伸驅動。演示了溼度感測器,電氣開關,爬行機器人和智慧髮型等應用。

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透過化學交聯來製備無系鏈的纖維人造肌肉。

參考文獻

:doi。org/10。1039/D1MH00234A

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