近年來，材料科學家設計了一系列可用于創造新技術的創新材料，包括軟機器人、控制器和智能紡織品。這些材料包括人造肌肉，形狀類似于生物肌肉的結構，可以改善機器人的運動或制造適應不同環境條件的服裝。
作為正在進行的以紡織品為基礎的軟致動器項目的一部分，江南大學的一組研究人員最近開發了基于獨立單螺旋羊毛紗線的新型人造肌肉。他們在Smart Materials and Structures上發表的一篇論文中介紹了他們的人造肌肉，可用于輕松且經濟地生產可以檢測和響應環境中的濕度的扭曲致動器。
“我們正在嘗試通過利用紡織品的層次結構設計來設計靈活和多功能的執行器，從微觀尺度（例如，分子鏈和聚集結構）到宏觀尺度（例如，纖維形態和紡織品結構），”研究人員孫豐新。“通過環保且易于制造的制造工藝實現具有獨立式和單螺旋結構的基于紗線的人造肌肉仍然具有挑戰性。”
孫豐新和他的同事最近工作的主要目標是克服在設計基于紗線（即細紗）的人造肌肉時面臨的一些常見挑戰。最值得注意的是，過去的研究表明，在不使用有害化學物質或工藝的情況下，可靠地加捻紗線以創建獨立的人造肌肉結構絕非易事。
然而，江南大學的研究人員能夠確定一種環保的處理策略，以可靠地生產基于單螺旋紗線的肌肉。他們的制造方法基于紫外線照射和等離子蝕刻的結合，這是一種常用于生產集成電路的等離子處理技術。
這種加工技術可以限制羊毛纖維的能量耗散，從而提高人造肌肉的驅動性能。此外，它有效、可擴展且易于實施，因此非常適合在工業水平上制造這些類似肌肉的結構。
“我們創造的羊毛紗線人造肌肉在交替暴露于潮濕和干燥環境時會顯示出可逆的扭轉驅動，”孫解釋說。“由于高度加捻的羊毛的吸濕膨脹增強，紗線肌肉在潤濕時表現出令人印象深刻的扭轉驅動。由重整的二硫化物網絡產生的羊毛中的固化螺旋形態賦予羊毛紗線以‘形狀記憶效應’。”
由于研究人員使用了獨特的設計和制造方法，構成其人造肌肉結構的紗線在干燥后可以恢復其原始的螺旋形狀，而無需集成外部彈簧。在最初的測試中，基于單螺旋紗線的肌肉表現出可逆和濕度感應驅動，以及具有較低能量耗散的高濕度驅動性能。
值得注意的是，所采用的制造工藝也是環保的，因為它不需要任何化學和有毒添加劑。由于他們的人造肌肉是由羊毛制成的，羊毛本質上是可生物降解和可再生的，它們可以用來創造更可持續的技術和智能紡織品。
“單螺旋結構通常被認為是不穩定的，并且在沒有外部扭轉束縛的情況下容易解捻，但我們在這里利用羊毛螺旋結構狀態下重組二硫鍵的內部束縛效應，通過紫外線穩定紗線肌肉中插入的捻度光照和自動氧化，”孫說。“這種策略完全環保，大大提高了毛紗肌肉的驅動性能。”
未來，這組研究人員最近的工作可能會激發開發新的基于紗線的執行器和用于機器人的人造肌肉，這些執行器可以以合理的成本可持續地大規模生產。此外，他們生產的單螺旋毛紗可用于制造舒適、透氣、無毒、親膚的紡織品，用于智能服裝、智能野營裝備和其他智能紡織產品。
“在我們下一階段的研究中，我們將探索人造肌肉的工業制造路線，實現其量產，并推動技術創新，以實現紗線肌肉在智能紡織品中的商業應用，”孫補充道。“想象一件襯衫，紗線可以通過智能切換織物上的氣墊來適應不同的天氣條件，這將是令人著迷的。我們希望這種衣服能夠以低成本在我們的日常生活中出現。”
