芯鞘复合人工肌肉纤维体系及其制备方法与应用-k8凯发

本发明涉及材料科学中的人工肌肉，尤其涉及一种芯鞘复合人工肌肉纤维体系及其制备方法与应用。

背景技术：

1、机器人的问世与发展为人类社会带来了极大的便利与帮助，然而传统的刚性机器人存在着连接装置复杂、体积笨重、能耗高等问题，使得其应用场景受到限制。因此，轻便、高效的柔性动力单元具有重要的研究意义。

2、在自然界中，生物肌肉纤维能够通过atp供能实现肌丝间的相互滑动，使得肌肉组织发生收缩与舒张，从而进行复杂的运动，是一种高效的动力单元。受到生物肌肉的启发，一种形状和功能与生物肌肉纤维类似的材料得到了发展，即人工肌肉纤维。

3、该材料能够在受到外部刺激的情况下发生可逆的收缩、转动、弯曲等运动，与传统的刚性机器人相比具有诸多优势，比如尺寸更加轻便灵活、快速的环境刺激响应特性以及可以通过编织集成实现复杂的运动等。美国科学家ray baughman教授团队发现对纤维材料进行加捻操作得到的螺旋纤维结构可以大幅提升人工肌肉纤维的驱动性能。这极大的拓展了人工肌肉纤维的材料来源和应用潜力。

4、按照刺激源的不同，可以将人工肌肉纤维分为热驱动、溶剂吸脱附驱动以及电化学驱动等类型。其中，电化学驱动由于所需要的电压较低，驱动行为可通过电压来进行控制，并且能量转换效率不受到卡诺循环的限制，具有诸多优势与重要研究意义。

5、然而，现有技术中的电化学人工肌肉的主要材料碳纳米管(cnt)纤维多是通过化学气相沉积cnt阵列加工所得，制备复杂，成本昂贵。同时，受限于目前发展的加捻技术无法实现连续化制备的问题，目前的人工肌肉纤维无法实现批量编织，这限制了其在智能织物领域的应用。并且由于加捻结构而始终存在着一些问题：纤维偏角与捻度是影响人工肌肉纤维驱动性能的关键因素，而传统的肌肉纤维中心处的纤维偏角接近于0，该部分肌肉无法被有效驱动；其次，加捻使得纤维内部结构更加致密，这增加了电化学离子在纤维中运动的难度与时间，从而限制了肌肉的做功能力与回复速率。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种芯鞘复合人工肌肉纤维体系及其制备方法与应用。

2、为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：

3、第一方面，本发明提供一种芯鞘复合人工肌肉纤维体系，其包括纤维本体以及浸润所述纤维本体的电解液；

4、所述纤维本体包括高分子纤维芯以及包裹所述高分子纤维芯的碳材料鞘层，所述高分子纤维芯具有电化学惰性，且所述纤维本体被加捻至过捻螺旋状态；

5、所述电解液中含有驱动离子，所述驱动离子能够在电场作用下迁移进入或脱出所述碳材料鞘层中的多个组成单元之间。

6、第二方面，本发明还提供一种上述芯鞘复合人工肌肉纤维体系的制备方法，其包括：

7、提供碳材料膜以及高分子纤维；

8、使所述碳材料膜包裹所述高分子纤维并加捻复合，形成纤维本体；

9、使所述纤维本体与电解液接触，组成芯鞘复合人工肌肉纤维体系。

10、第三方面，本发明还提供上述芯鞘复合人工肌肉纤维体系在智能织物领域的应用。

11、基于上述技术方案，与现有技术相比，本发明的有益效果至少包括：

12、本发明所提供的芯鞘复合人工肌肉纤维体系采用高分子材料作为纤维芯来代替部分碳材料纤维，减少了碳材料的用量，显著降低了材料成本；并且由于纤维芯的存在使得碳材料鞘层各部分均保持较大捻角，且相比于整体加捻，驱动离子在活性组分中的迁移路径显著缩短，迁移难度显著降低，因而具有更高的响应速率，在高频下也具有更高的回复速率与功率密度；能够被用于缝纫，在实际应用中具有更大的优势，在软体机器人、生物医学工程、智能织物等领域有着广泛的应用前景。

13、上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够使本领域技术人员能够更清楚地了解本申请的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合详细附图说明如后。

技术特征：

1.一种芯鞘复合人工肌肉纤维体系，其特征在于，包括纤维本体以及浸润所述纤维本体的电解液；

2.根据权利要求1所述的芯鞘复合人工肌肉纤维体系，其特征在于，所述高分子纤维芯的材质包括尼龙、涤纶、芳纶、氨纶中的任意一种或两种以上的组合；

3.根据权利要求2所述的芯鞘复合人工肌肉纤维体系，其特征在于，所述碳材料鞘层至少由连续的碳纳米管薄膜或窄带包裹所述高分子纤维芯形成；

4.根据权利要求1所述的芯鞘复合人工肌肉纤维体系，其特征在于，所述高分子纤维芯的直径为30-50μm；

5.根据权利要求1所述的芯鞘复合人工肌肉纤维体系，其特征在于，所述驱动离子包括bf4、pf6-中的任意一种或两种的组合；

6.根据权利要求1所述的芯鞘复合人工肌肉纤维体系，其特征在于，所述电解液中驱动离子的浓度为0.5～1mol/l；

7.一种权利要求1-6中任意一项所述的芯鞘复合人工肌肉纤维体系的制备方法，其特征在于，包括：

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，具体包括：

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述加捻的转速为200-400rpm，碳材料膜和高分子纤维的行进速度为0.5～1.5m/min。

10.权利要求1-6中任意一项所述的芯鞘复合人工肌肉纤维体系在软体机器人、生物医学工程、智能织物中任一领域中的应用。

技术总结
本发明公开了一种芯鞘复合人工肌肉纤维体系及其制备方法与应用。所述芯鞘复合人工肌肉纤维体系包括纤维本体及电解液；纤维本体包括高分子纤维芯及碳材料鞘层，高分子纤维芯具有电化学惰性，且整体被加捻至过捻螺旋状态；电解液中含有驱动离子。本发明所提供的芯鞘复合人工肌肉纤维体系采用高分子材料作为纤维芯来代替部分碳材料纤维，减少了碳材料的用量，显著降低了材料成本；并且由于纤维芯的存在使得碳材料鞘层各部分均保持较大捻角，且能够显著缩短驱动离子在纤维内部的迁移路径，因而具有更高的响应速率，在高频下也具有更高的回复速率与功率密度；能够被用于缝纫，在软体机器人、生物医学工程、智能织物等领域有着广泛的应用前景。

技术研发人员：邸江涛,王晓波,任明,李清文
受保护的技术使用者：中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/2/8