基于碳纳米管纱线和共晶凝胶衍生物的生物友好型人造肌肉

《Advanced Functional Materials》：Bio-Friendly Artificial Muscles Based on Carbon Nanotube Yarns and Eutectogel Derivatives

本研究开发了一种新型环保固态人工肌肉，采用商业化卷曲碳纳米管纱线涂覆离子型凝胶涂层，结合基于深共熔溶剂（DES）的电解质，实现了单向收缩特性。通过调整凝胶中离子单体的含量（SPA@90和AETA@90），在90mN负载下获得了2.25%的收缩应变，且在开放空气中循环300次稳定性良好。纺织集成实验显示，在棉/粘胶 warp knits织物中，该装置可达到3.4%的应变，同时保持高机械强度和快速响应特性（应变率0.23%·s?1）。采用DES基电解质避免了传统有毒溶剂，实现了环境友好型可穿戴设备应用。

　　本研究介绍了一种新型的、生物友好的固态人工肌肉材料，该材料基于商业可得的螺旋形碳纳米管（CNT）纱线，并在其表面涂覆由深度共融溶剂（DES）稀释的共融凝胶衍生材料。通过结合基于DES的聚阴离子和聚阳离子凝胶，实现了对两种纱线电极的选择性离子插入，从而在固态CNT纱线执行器中实现了单极收缩。这项工作为开发高性能、环境友好且可大规模应用的人工肌肉提供了新的思路，适用于智能织物、软体机器人和假肢等领域。

与传统的电动机和气动系统相比，基于纤维的人工肌肉因其灵活的几何结构、轻量和可变形性，成为一种极具潜力的替代方案。目前，人工肌肉主要分为热驱动、蒸汽吸收驱动、光响应驱动和电化学驱动四类。其中，电化学驱动人工肌肉因其能够克服传统方法在效率和控制方面的局限性而受到广泛关注。这些电化学驱动器在低电压下（通常低于5伏）工作，具备快速充放电能力，同时具有良好的控制性、高功率密度和长循环寿命，这使得它们非常适合集成到智能穿戴设备、软体机器人和假肢等应用场景中。

然而，现有的电化学驱动器在实际应用中仍面临一些挑战。例如，传统的电化学驱动器通常需要液态电解质，这不仅增加了系统的复杂性，还可能引发环境和安全问题。此外，液态电解质的使用限制了其在开放空气中的稳定性，且其离子迁移率受到物理环境的影响。为了解决这些问题，研究团队开发了一种基于固态结构的电化学驱动器，其核心在于将液态电解质替换为由DES稀释的凝胶电解质。这种凝胶电解质不仅具有良好的生物相容性，还具备非毒性、成本低廉和易于合成等优点，使其成为传统离子液体和有机溶剂的可持续替代品。

在实验设计方面，研究团队首先对未涂覆的CNT纱线进行了电化学性能测试，以评估其在不同电解质条件下的收缩行为。结果显示，未涂覆的纱线在电化学作用下表现出典型的双极收缩特性，即在正负电荷作用下均会发生收缩，且其收缩幅度受到电位变化的对称性影响。通过在纱线表面涂覆聚阴离子凝胶，研究团队成功实现了单极收缩，即仅在某一方向上发生显著变形，而另一方向则保持稳定。这种单极行为是通过控制凝胶中的离子重复单元含量实现的，从而抑制同种电荷离子的插入，仅允许相反电荷离子的迁移，从而提高整体的收缩效率。

为了进一步提升驱动器的性能，研究团队设计了一种双电极配置，将两根CNT纱线分别作为工作电极（WE）和对电极（CE），并使用由DES稀释的凝胶作为中间电解质。这种结构允许在开放空气中进行电化学驱动，同时保持凝胶的稳定性。在实验中，通过改变凝胶中阴离子重复单元的含量，研究团队发现随着阴离子比例的增加，驱动器的收缩性能显著提升。例如，当阴离子比例达到90%时，驱动器的收缩率可达到3.4%，而当比例达到100%时，其收缩率甚至可以达到2.25%。这种性能的提升主要归因于凝胶中高密度的固定电荷对离子迁移的调控作用，从而提高了电荷利用率和收缩效率。

此外，研究团队还对凝胶在不同条件下的性能进行了系统分析。例如，在扫描速率较低的情况下（0.05 V/s），凝胶驱动器表现出较高的收缩率和稳定的性能，而在高扫描速率（1 V/s）下，虽然收缩率有所下降，但其电荷利用率显著提高，表现出类似“扫描速率增强收缩效应”（SRES）的趋势。这一现象表明，在快速电化学刺激下，凝胶中的离子能够通过电渗压力带动额外的溶剂分子迁移，从而增强整体的收缩效果。尽管SRES效应在该研究中表现得较为有限，但这一发现为未来优化凝胶材料的性能提供了新的方向。

为了验证凝胶驱动器在实际应用中的可行性，研究团队还将其集成到纺织结构中，以评估其在开放空气环境下的性能表现。通过将驱动器嵌入到松散的棉/粘胶交织结构中，研究团队成功实现了驱动器与纺织品的兼容性测试。实验结果表明，即使在外部施加90毫牛的拉力下，驱动器仍能保持其电机械性能，表现出高达3.4%的应变。这一结果表明，该驱动器不仅适用于实验室环境，还具备在实际智能纺织品中的应用潜力。

为了确保驱动器的长期稳定性和可靠性，研究团队对其在300次循环中的性能进行了测试。结果显示，驱动器在开放空气中保持了良好的收缩稳定性，且在多次循环后未出现显著的性能下降。这一结果进一步证明了该驱动器在实际应用中的耐用性和可靠性。同时，研究团队还对驱动器的体积功和能量转换效率进行了评估，发现其体积功可达120 kJ/m3，远高于哺乳动物骨骼肌的水平（约8 kJ/m3）。虽然能量转换效率较低（仅0.011%），但这一数值仍处于当前固态电化学驱动器的合理范围内，表明其在实际应用中仍具有一定的优势。

在材料选择方面，研究团队采用了多种非毒性、可生物降解的成分。例如，所使用的DES电解质由甘油和胆碱氯化物（ChCl）组成，这两种物质均被广泛应用于医药和化妆品领域，具有良好的生物相容性。此外，所使用的凝胶材料也基于非有毒的聚合物网络，如聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）和2-羟乙基丙烯酸酯（HEA），这些材料不仅具备良好的机械性能，还能在潮湿环境中保持稳定性。通过调节这些材料的比例，研究团队能够优化驱动器的电化学性能，从而实现更高的应变和更长的使用寿命。

在实验方法上，研究团队采用了多种技术手段来评估驱动器的性能。例如，通过电化学阻抗谱（EIS）测量凝胶的离子导电性，使用动态机械分析（DMA）和流变学测试评估凝胶的机械性能，以及通过循环伏安法（CV）和恒电流法（CA）分析驱动器的电化学行为。这些方法不仅能够提供驱动器在不同条件下的性能数据，还能揭示其内部结构和电荷迁移机制。例如，在CV测试中，研究团队发现随着阴离子重复单元比例的增加，驱动器的零收缩电位逐渐向正电位方向移动，这表明凝胶对离子迁移的调控能力增强，从而促进了单极收缩行为的发生。

在应用前景方面，这项研究为智能纺织品和软体机器人领域提供了重要的技术突破。传统的电化学驱动器通常依赖于液态电解质，这不仅增加了系统的复杂性，还限制了其在开放空气中的使用。而本研究提出的固态驱动器则克服了这一问题，能够在空气中稳定工作，同时保持较高的应变和功率密度。此外，该驱动器采用商业化CNT纱线作为电极材料，这不仅降低了制造成本，还提高了其在工业应用中的可行性。因此，这项研究不仅在基础科学层面取得了重要进展，也为未来的工程化应用奠定了坚实的基础。

综上所述，这项研究通过结合生物友好型凝胶材料和商业化CNT纱线，成功开发了一种高性能、稳定且可持续的固态人工肌肉。该驱动器在开放空气中表现出优异的电机械性能，且其应变和功率密度均达到较高水平。此外，其在纺织结构中的集成能力也表明了其在智能穿戴和柔性机器人领域的应用潜力。这些成果不仅推动了电化学驱动器技术的发展，也为未来构建更加智能化、环保化和实用化的人工肌肉系统提供了新的思路和方法。