【科研摘要】
对于生物相关应用中的软机器人，传感器和控制器，非常需要生物相容性和可生物降解材料制成的拉伸和扭转人造肌肉。
扭曲的纤维可用于制备拉伸和扭曲的人造肌肉，而始终需要扭曲束缚，以避免释放插入的扭曲，这增加了设备设计的复杂性。此外，还没有实现对扭曲的纤维人造肌肉的可逆性的调节。最近， 南开大学 刘遵峰教授 团队 通过二硫键交联用来制备新型的无捻的毛发纤维中无束缚的吸湿性拉伸和扭转纤维人造肌肉。交联度的增加将纤维人造肌由不可逆的驱动转化为可逆的驱动。
分别对扭曲的，同手卷的和异手卷的头发纤维实现了不同类型的致动，包括旋转，收缩和伸长。可逆的扭转纤维人造肌表现出 122.4°mm -1 旋转， 同手性和异手性纤维人造肌表现出94％的收缩率和3000％的伸长率， 最大工作能力和能量密度分别为 6.35 J kg -1 和69.8 kJ m -3 ，分别在暴露于水雾的情况下被实现。 这项工作提供了一种新的策略，可以保留生物纤维人造肌肉中插入的扭曲并调整肌肉的可逆性，从而显示出在生物相容性智能材料，传感器和机器人技术中的应用前景。 相关论文以题为 Tuning the reversibility of hair artificial muscles by disulfide cross-linking for sensors, switches, and soft robotics 发表在《 Materials Horizons 》上。
【新概念】
人体肌肉是具有扭曲结构的自立式纤维致动器，因此非常需要开发无系链的可生物降解的扭曲纤维人造肌肉的策略。此外，对于不同的应用场景，可逆和不可逆的人造肌肉都很重要。在这项工作中，团队通过形成 S–S键来保留头发纤维中插入的扭曲，从而实现了对扭转和拉伸人工肌肉的可逆性的控制。 由于头发中α-角蛋白对水具有灵敏的响应能力，因此人发非常适合通过S-S键的化学交联制备可逆且无系链的智能促动器。 此外，可以通过控制从–SH键到S–S键的氧化程度来调整无系绳毛发的可逆性。头发纤维的这种特定组成将通过使用包含–SH键或其他动态可逆 共价键的天然或人造材料，激发新型扭曲纤维人造肌肉的制备。另外，作为生物材料资源，人发具有高拉伸强度，高隔热性，完全的生物可降解性，可再生性以及在各地均可使用的优点。
【主图导读】
图 1 通过二硫键交联表征人的头发。
图 2 头发人造肌肉的机理和特征。
图 3 扭曲的头发人造肌肉的扭转驱动和力学性能。
图 4 卷曲头发人造肌肉的拉伸驱动。
图 5 使用卷曲的头发人造肌肉的演示。
【总结】
团队开发了一种扭曲辅助的二硫键交联技术，以制备具有湿度响应性，无系链的头发人造肌肉。在硫代乙醇酸铵溶液中将扭曲的头发纤维还原，以切割 S-S键的交联网络以形成-SH键， 然后在月桂胺氧化物溶液中氧化，形成新的 S-S键交联网络。上述过程可以设定头发纤维的形状，并且分别对绞合和芯轴卷曲纤维实现了扭转和拉伸驱动。演示了湿度传感器，电气开关，爬行机器人和智能发型等应用。 这项研究提供了一种新的策略，可以使用生物相容性和可生物降解材料通过化学交联来制备无系 链 的纤维人造肌肉。
参考文献 ： doi.org/10.1039/D1MH00234A
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