《人民网》：复旦大学科学家发现新型纤维状人工肌肉

百叶窗可以根据环境变化自动打开和关闭：衣服可以在冷的时候变厚、热的时候变薄；义肢的反应灵敏度比人体肌肉还快……这不是异想天开，有一种“人工肌肉”材料就能帮你做到。最近复旦大学彭慧胜教授课题组通过对碳纳米管的多级螺旋组装，成功制备了一种新型的纤维状人工肌肉材料，为实现高性能的驱动和敏感器件及应用提出了全新的思路。该项最新研究成果9月14日在线发表于Nature Nanotechnology（《自然纳米技术》）。

复旦大学高分子科学系、聚合物分子工程国家重点实验室、先进材料实验室彭慧胜教授课题组这次在新型人工肌肉材料方面取得的研究成果，在驱动和智能响应领域中有巨大的应用前景。基于这种新型材料优异的驱动性能，通过巧妙的设计，研究团队将会把这种质轻、柔顺且导电的人工肌肉材料更多地利用于实际生产生活中。例如，制成可对不同溶剂蒸汽具有选择性反响应的变形弹簧、发电机和智能织物等。

据彭慧胜教授介绍，这种导电的人工肌肉材料对溶剂响应具有很高的灵敏性和选择性，在工业生产和化学品储存中，可以用来探测毒性溶剂的泄露和预警。简单来说，在生产或储存过程中，有毒溶剂及其蒸气过量或泄露时，人工肌肉材料与危险溶剂或蒸气接触，会自动智能地伸缩或旋转，从而触动警报或安全阀门的开关，发出警报告知工作人员，或是关闭通道防止危险溶剂及蒸气进一步扩散，减少对人体的危害，将发生安全事故的可能性降到最低。

通过对纤维进行表面改性，目前该项研究已经实现了对水的收缩和旋转响应，并制成了可感应湿度变化的智能窗帘。想象一下，如果未来我们的家中或办公室有了这样的智能窗帘，那将会是怎么样的体验？窗帘可以通过感应湿度的变化，智能地展开或闭合，可以智能地调节展开的幅度大小，从而影响房间内的湿度变化。

此外，乙醇是当今一类已经广泛应用的新型生物质燃料，该类敏感材料在乙醇浸润下可产生高速的旋转驱动，其实质是表面能与动能的转化，进一步在纤维低端连接一个铜线圈并引入磁场，就可以用来产生电能，从而实现生物能-动能-电能的转化。

其实，科学界对人工肌肉材料的研究很早就开始了，但传统的人工肌肉材料多是基于功能性的高分子材料，其对溶剂的响应速度很慢，运动形式单一，只是简单的膨胀或弯曲，且不容易控制。这次彭慧胜团队突破了传统的材料，使用的碳纳米管具有很高的比表面积，且质量轻，导电性好，在该领域取得了新的突破。

彭慧胜教授介绍说，这项研究首先是受植物内部螺旋结构的启发。自然界中，很多植物都会对外界环境（如湿度的变化）的刺激产生新奇的运动行为，如松果随湿度变化产生弯曲变形，种芒（seed awn）在潮湿土壤表面发生卷绕运动，以及丝瓜卷须的螺旋生长等。这些植物运动对植物繁殖生长、自我防卫和养料摄取等方面起着至关重要的作用。研究发现，植物内部纤维素微纤的螺旋排布是导致上述植物运动的结构基础。

研究团队以具有高比表面积、优异的力学和电学性能取向的碳纳米管为基本单元，并对其进行多级螺旋构筑，在纤维内部形成了大量的纳米和微米尺度的管道结构，这种多级管道结构可以使溶剂快速高效地湿透到纤维内部。其对溶剂的响应速度比传统的高分子基敏感材料高三个数量级，并可以同时产生强劲的收缩和旋转运动。这种结构设计为制备高性能的智能响应材料和器件开辟了一个全新的思路。

当具有多级螺旋结构的碳纳米管纤维有机溶剂（如乙醇）及其蒸汽接触，可产生优异的扭转和收缩运动，该类纤维状人工肌肉还可以产生强劲的收缩响应，其收缩强度是人类骨骼肌的10倍，并可以在几十毫秒内完成，远高于目前传统的溶剂敏感材料的响应速度，也高于植物界响应最快的植物——食蝇草的“捕食”速度。进一步研究表明，通过多级螺旋构筑，纤维内部形成的大量微米级和纳米级的螺旋管道对纤维优异的旋转和收缩性能具有至关重要的作用。

该论文第一作者为课题组博士生陈培宁，工作得到了国家自然科学基金委、科技部、上海市科委等项目的支持。