纳米纤维素在驱动器领域中的应用及挑战*

马洪伟，高 宇，李晓白，李 斌

(东北林业大学化学化工与资源利用学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

自智能材料的概念就被提出以来，基于先进材料的驱动器在智能仿生传感、人工肌肉、软体机器人等领域受到了广泛的应用。驱动器智能材料能够感应外界(如温度、湿度等因素)的变化，使得材料整体呈现出特定的形状或颜色的改变。伴随物联网的快速发展，万物互联成为迫切需求，人们对驱动器提出了更高的要求。理想的驱动器应具有良好的生物降解性、生物适应性和稳定可重复性等性能。

纤维素作为地球上最丰富的生物质资源，年产量达到 750亿吨，具有生物可降解、价格低廉和来源广泛等特点，是材料领域中的重点研究对象之一。如图1(a)所示，纤维素是由D-葡萄糖通过β-1-4糖苷键连接而成，相邻的葡萄糖环发生180°构象扭转，所以纤维素的重复结构单元也常被认为是纤维二糖纳米纤维素，聚合度可以达到20000。对于纤维素有一个重要的结构特征：每个葡萄糖都有3个羟基，分别在2、3和6位，一方面，这些羟基形成分子内和分子间氢键，使纤维素链聚集成结晶高分子，表现出超高的模量和强度，另一方面，由于这些羟基可以与水形成氢键，因此纤维素分子具有很强的吸水性。从图1(a)中可以看到，纤维素分子不是单独存在的，而是聚集成纤维素纤维。其形成过程为几十个纤维素高分子通过氢键和范德华力组合成纤维素基本纤维，然后基本纤维再集合成纤维素微纤维，最终形成纤维素纤维[1]。其中，纤维素基本纤维即为纤维素纳米纤维(CNF)，它由交替的结晶区和无定型区组成[2]，如图1(b)所示，为截面尺寸4～20 nm的棒状纤维[3]，当把无定型区去除后，就会剩下高度结晶的、截面尺寸只有3～10 nm的针状纤维，称为纤维素纳米晶[4]。

图1 纳米纤维素的来源及结构(a)[2]和 纤维素纳米纤维及纤维素纳米晶的TEM图(b)[3]Fig.1 Source and structure of nanocellulose(a) and TEM images of cellulose nanofibers and cellulose nanocrystals(b)

从植物中分离得到的纳米纤维素不仅具有无毒、可降解、价格低廉等特性，还由于其独特的形状、尺寸、表面化学性质和高度的结晶性使得它具有可调节的自组装、高机械强度等特性。通过机械法以及机械与生物、化学相结合的方法制备的纳米纤维素表面所带的不同功能基团为改性纳米纤维素提供了的基础，使得其在驱动器领域具有广阔的应用前景[5]。

1 纳米纤维素的制备

纳米纤维素是指至少有一维尺度达到纳米级别(1～100 nm)的纤维素[6]，具有生物相容性、高机械性能、光透过性，低温度膨胀系数和易于化学修饰等优良特性，在工业生产和日常生活中都起到重要的作用。纳米纤维素不同的制备方法对于其性能有较大的影响。目前，纳米纤维素主要的制备方法有物理机械法、化学法和酶解法。

1.1 物理机械法

物理机械法是通过高速高压均质设备研磨来制备纳米纤维素的方法。机械法不会使纳米纤维素产生任何电荷基团而且可以保持纳米纤维素原始的化学结构，经此法制备的纳米纤维素具有较大的表面积和大量的氢键，具有完整的晶体结构，适合于工业化生产。1983年，Herrick等[7]运用高速高压剪切的方法首次制备了纤维素纳米纤丝，此法对环境污染小，易于实行，极大的促进了纳米纤维素的发展。这种方法的主要原理是采用恒定的压力对原材料进行处理，通过破坏细胞壁来达到提取纤维素的目的，此法制备的纳米纤维素尺寸在100 nm左右。随着物理机械法的发展，Shi等[8]于2005年对均质设备性能进行改进，所制备的纳米纤维素具有更高的纤维化程度，这对于纳米纤维素的应用具有非常重要的意义，但同时也应指出虽然物理机械法制备纳米纤维素有了非常大的进步，但是仍然存在着制备的纳米纤维素纤丝不均一的问题，这也推动产生了解决这一问题的新方法。2008年，Iwamoto等[9]运用化学法先将纤维素进行酸化，之后再运用物理机械法制备了直径相对均匀的纳米纤维素，这种化学与物理机械相结合的方法阻止了纤维素间氢键的形成，减弱了纤维素间的粘合力，极大的提高了纤维素纳米纤维的产率。

1.2 化学法

化学法常常被用来对纤维素进行改性以及制备纳米纤维素，制备的纳米纤维素其表面除了纤维素本身具有的羟基外，还常常带有羧基、磺酸基、醛基等负电官能团，使得纳米纤维素易于分散于水中，具有广阔的应用前景。对于化学法制备纳米纤维素而言，目前主要存在着两种方式：水解法和采用2，2，6，6-四甲基吡啶氧自由基(TEMPO)的氧化法。

1.2.1 水解法

水解法是指纤维素在酸(如硫酸)中进行水解，去除纤维素大分子中的无定形区域，将纤维素转化为纳米纤维素晶体的方法。水解法最早由Nickerson和Habrle提出[10]，他们通过盐酸和硫酸的混合溶液对纤维素进行水解制备纤维素纳米晶，在后续的研究中发现水解法存在多种因素(酸的种类，浓度等)影响纤维素纳米晶的状态。于是，Rusli等[11]采用不同种类的酸去水解纤维素，发现当用盐酸去水解纤维素时，纤维素纳米晶在水悬浮液中呈絮凝状态，而这种现象在用其他酸水解时是不存在的。此外，用硫酸对纤维素进行水解时制备的纳米纤维素常带有磺酸根，因而可以使用不同的水解方式来制备具有特定结构和功能的纳米纤维素。近年来，水解法也常常与微波、超声等手段进行结合，通过加强酸对纤维素的穿透从而提高制备效率。

1.2.2 TEMPO氧化法

纤维素具有非常稳定的结构，需要经过几十次机械均质处理才能实现纤维素微纤维的彼此分离，能耗较大。如图 2所示，TEMPO作为一种温和的氧化剂，可选择性的将纤维素C6位的伯羟基氧化为羧基，使纤维素纤丝间产生斥力，从而降低纤丝间的氢键作用力，可进一步施加机械力作用实现彼此分离。在TEMPO氧化纤维素的过程中，TEMPO分子会渗透到纤维素微原纤维之间的空隙中氧化微原纤维表面纤维素链上的葡萄糖基单元，通过这种独特的作用方式使纤维素微纤维间作用力减弱。利用这种作用机制，Saito等[3]使用TEMPO/NaBr/NaClO 氧化体系，成功制得了透明澄清的纤维素纳米纤维悬浮液，实现了对纳米纤维素的高效提取。TEMPO氧化法氧化条件温和，制得的纳米纤维素尺寸均一，长径比大，分散性好，使得纤维素纳米纤维可以进一步实现功能化。

图2 在pH为4.8～6.8的缓冲溶液中，TEMPO/NaClO/NaClO2 选择性氧化纤维素C6伯羟基为羧酸基团[3]Fig.2 Selective oxidation of C6 primary hydroxyls of cellulose to carboxylate groups by TEMPO/NaClO/NaClO2oxidation in water at pH 4.8～6.8

1.3 酶解法

在自然界中，内切β葡萄糖酶、外切β葡萄糖酶和β葡萄糖苷酶三者共同构成了纤维素酶系，纳米纤维素可通过上述多组分酶之间的相互作用来实现制备[4]。2007年，Henriksson等[12]使用纤维素酶对漂白亚硫酸盐浆进行处理制备了具有纳米尺度的纤维素微纤丝，该纤维具有较高长宽比，可以作为增强材料进行使用。此外，利用纤维素酶的选择性，可以酶解掉无定形的纤维素从而获得纤维素晶体，制备的纳米纤维素直径在20～80 nm。但由于酶解条件苛刻，对溶剂、pH、温度等都有很高的要求，所以在化工生产中很少使用。

近年来，生物酶处理法常配合其他化学预处理和机械法共同使用来达到制备纳米纤维素的目的。2019年，Liu等[13]在漂白软木浆中添加10%内切葡聚糖酶，并在50 ℃的条件下搅拌 2 h，之后再用研磨机以1500 r/min的速度研磨2 h得到了具有良好热稳定性的纤维素纳米纤维，这种采用物理化学生物相结合的方法不仅节省能源，而且提高了制备效率。

2 纳米纤维素的刺激响应机制

纳米纤维素由于具有大的比表面积，并且表面存在大量的官能团，所以在外界的一定刺激(湿度、pH、温度、光)下，纳米纤维素表现出良好的刺激响应性。

2.1 湿度刺激

纳米纤维素相比较于纤维素，一方面具有更大的比表面积[14]，另一方面，由于纤维素分子内氢键被破坏，裸露出大量的羟基和含氧官能团[15]，这些性能使纳米纤维素在湿度响应领域得到了广泛的应用。

纳米纤维素的纳米尺度使水分子更容易进入到纳米纤维素薄膜中，大的比表面积为水分子提供了吸附位点，大量羟基和含氧官能团可与水形成氢键。因此，如图 3所示，当纳米纤维薄膜不对称的暴露于水蒸气后，接触水蒸气的区域会立即形成薄的水合膨胀表面层，而薄膜的大部分仍处于环境低湿度状态，从而将形成双层结构，薄膜向着湿度低的薄膜一侧弯曲。此外，纳米纤维素的特定排列也将极大的影响纳米纤维素的刺激响应性能，各向异性的纳米纤维素层通过定向排列[16]，层间相互缠绕，可以形成更多的纤维素纳米纤维层间氢键，从而使吸水量增加，同时通过调控纳米纤维素的排列方式，达到调控薄膜刺激响应方向的目的。近年来，随着研究的不断深入，俞书宏院士团队[17]发现由于湿度调节的界面滑移引发的应变硬化阶段使得纤维素纳米晶在合适的湿度范围内，其断裂应变可大幅度增加，强度和韧性得到显著提高，这对于纳米纤维素的应用具有十分重要的意义。

纳米纤维素与其他功能材料结合可以展示出更加优良的性能[18-19]。过渡金属碳化物，碳氮化物和氮化物(MXene)是一种具有优良光热转换能力和丰富表面化学特性的二维分层材料，通过化学蚀刻技术，MXene可产生大量活性端基(-OH，-F， or=O)，纤维素纳米纤维独特的两亲性和高纵横比允许单个MXene纳米片分开而不聚集，因而在湿度刺激下，由纤维素纳米纤维和MXene组成的材料可展示出更强的氢键相互作用和更加优良的湿度响应能力。此外，纤维素纳米纤维也可与氧化石墨烯相结合，展现出优异的湿度响应，增强了复合膜的灵活性和湿度敏感性。

图3 湿度刺激响应机理图(a)[14]和 纤维素纳米纤维薄膜的湿度驱动原理图(b)[15]Fig.3 Response mechanism diagram of humidity stimulus(a) and Schematics of a water vapor-based actuation in nanofibrillated cellulose(NFC)films(b)

2.2 pH刺激

纳米纤维素的刺激响应性容易受到表面电荷的影响。纳米纤维素通过改性可以使表面带有一些特征官能团，这些特征官能团使纳米纤维素在一定的pH下呈现出正负电性，这一优良的性质极大的扩展了纳米纤维素的应用[20]。

纳米纤维素的性质会受到表面电荷极性和密度的影响[21-22]。如图 4所示，接入氨基的纤维素纳米晶(CNCs)在低pH下以CNC-NH3+的形式存在，而当体系成为中性时将转变为CNC-NH2，这一电荷性质的改变会对纳米纤维素的强度产生影响，低pH下由于氨基正离子之间电荷排斥形成可以分散CNCs的悬浮液，而当pH升高之后，CNCs中电荷排斥的现象消失，且由于CNCs之间将形成了大量的分子间氢键，将导致CNC-NH2形成强度大的CNCs凝胶，这种独特的性质在经TEMPO氧化得到的CNC-COOH中也能得到了印证，在高pH下负电荷的CNC-COO-保持一个稳定的分散体，而当处于低pH时，CNC-COOH能够形成固体凝胶。除此之外，这种电荷极性和密度的变化也将对纳米纤维素的形状产生影响，经改性过后的纳米纤维素能在不同pH下通过调节水的扩散和氢键的形成使纳米纤维素基凝胶呈现出一定的变形，这种独特的性质为纳米纤维素用于pH刺激的驱动器奠定了基础[22]。

图4 CNC-COOH和CNC-NH2分别在高 pH和低pH下的响应机制图[21]Fig.4 Schematic of the proposed interactions between CNC-CO2H and CNC-NH2 at high and low pH

2.3 温度刺激

纳米纤维素由于具有优良的机械性能、强烈的吸水性[23]，使得其常作为一种优异的添加材料来达到改善驱动器性能的目的，而这一性质在温度刺激响应的研究中体现的尤为明显[24-25]。

棕色棒代表CNCs，蓝色附着物代表LCST聚合物[25]图5 水凝胶在不同温度下的形态变化图Fig.5 The morphologic changes of hydrogels under the different temperature

水凝胶作为一种质地柔软，具有良好生物相容性和生物降解性的亲水性聚合物，自从Wichterle等[26]首次报道后，就成为了一个热门的研究领域。在对水凝胶多年的研究中，人们发现一些热敏性聚合物具有较低的水凝胶相变临界温度(LCST)，如图 5所示，当温度低于LCST时，热敏性聚合物倾向于形成无规则卷曲的形状，这使得水凝胶趋向膨胀，相反，当温度高于LCST时，热敏性聚合物内部结构被破坏，从而可以实现水凝胶的收缩[27]，这一特性为其用做驱动器奠定了基础，但令人遗憾的是，这些热敏性聚合物大多不具有足够的力学强度，而纳米纤维素的加入可以完美的弥补这一不足。一方面，纳米纤维素掺入后提高了水凝胶的机械性能，另一方面，纳米纤维素由于可以很好的与水形成氢键，所以能够有效的增强水凝胶的膨胀率，使水凝胶产生更大的变形效果，有力的推动了水凝胶基驱动器的发展。

2.4 光刺激

近年来，光致驱动作为一种清洁高效，可远程操控的技术引起了人们的广泛关注。利用纳米纤维素材料周期排列的纳米结构，光可以通过对纳米纤维素材料进行光学干涉实现独特的颜色和结构变化[28]，于是光刺激的纳米纤维素驱动器开始被广泛研究[29-30]。

如图 6所示，纤维素纳米晶是一种具有手性向列结构的光子晶体，纤维素纳米晶悬浮液干燥后可以形成具有左手螺旋结构的固体薄膜，可以显示出类似于胆甾相液晶薄膜的光学性质，当用特定波长的光对薄膜进行刺激时可使薄膜实现变色，同时由于光热效应也能让薄膜产生一定的结构变化[28]；有研究表明[31]，当水凝胶基的驱动器中加入纳米纤维素时可对驱动器的性能产生较大影响：随着纳米纤维素的增多，水凝胶反应液粘度增大，极大的影响了智能水凝胶的力学性能和韧性，同时在近红外激光照射下也会对驱动器的驱动能力产生影响。据此，通过调控水凝胶中纳米纤维素的量可设计多层水凝胶基驱动器，依据需求去调控水凝胶的机械强度和体积变化，这将对药物释放、人工智能等领域的发展起到良好的推动效果。

图6 纤维素纳米晶的结构及光响应机制[29]Fig.6 Structure of CNCs and their optical responsive mechanism toward stimuli

2.5 其他方式刺激

除了以上的方式可以对纳米纤维素材料进行调控外，还可通过提供电、磁等条件使纳米纤维素进行刺激响应[32-34]。电活性聚合物作为一类能在电场下改变形状和大小的聚合物材料，由于其能够承受巨大的作用力，而且可以进行大幅度的变形，常被应用于驱动器领域。纤维素具有轻质、可降解、可大幅度弯曲等优势，一直是制备电活性聚合物的一种热门材料，被称为电活性纸。但是，当纤维素被制成电活性聚合物后存在着压电转换能力不足的缺陷，这严重限制了电活性纸的发展。近年来，随着静电纺丝的应用，成功制备了纳米纤维复合膜，其再经单向拉伸能够使纤维排列整齐，有效的提高了压电效应程度，对驱动器的驱动性能起到了很好的促进作用[35]。此外，纳米纤维素由于具有优良的机械性能也常被作为一层基底与某些磁致收缩片共同作用来构成双层驱动器，通过这种方法有效的改善了驱动器的性能，提高了驱动器的稳定性[36]。

3 纳米纤维素基驱动器的研究进展

在自然界中，有许多像含羞草、松果、小麦芒一样的植物，它们在外界一定的刺激下表现出奇特的响应行为，科学家们通过研究不同的响应机制制造出了大量仿生驱动器，包括湿度刺激驱动器、pH刺激驱动器、温度刺激驱动器、光刺激驱动器以及其他刺激驱动器，它们已经被应用到软机器人[37]、开关[38]、启动器[39]等众多领域。

3.1 湿度刺激驱动器

在生物刺激响应研究的基础上，2015年，Wang等[15]基于纳米纤维素含有大量羟基和含氧官能团等特点制备出了一种单层纳米纤维素的薄膜，这种薄膜表现出强烈的亲水性，能在湿度的刺激下展现出长达24 h的稳定弯曲，这是以往纤维素纸基制成的驱动器所无法达到的。研究者为了检测湿度及膜厚度对薄膜弯曲性能的影响，运用控制变量的方法对驱动器的性能进行了研究，如图 7(a)所示，发现当相对湿度均控制在40%的情况下，在8 μm、18 μm、38 μm、48 μm厚度的薄膜中， 8 μm的薄膜产生高达0.75 cm-1的弯曲，对于实现驱动器的可控调节具有非常重要的意义。实验结果表明薄膜产生弯曲的主要原因是在湿度的刺激下，纳米纤维素膜两侧形成稳定的湿度差，进而形成了不同湿度的双层纳米纤维素。

通过对这种纳米纤维素膜进一步研究发现仅仅在手掌湿度的影响下，这种纤维素纳米纤维膜就可以实现有效的弯曲。如图 7(b)所示，当用手指靠近薄膜时，薄膜在微量湿度的刺激下就可实现弯曲，具有极高的刺激响应灵敏性。此外，这种驱动是可逆且双向的，有助于实现驱动器的自由弯曲变形。但也应指出这种驱动器的弯曲是建立在膜两侧湿度存在差异的情况下而实现的，当把薄膜放入湿度均一的环境下时，即使湿度发生变化薄膜也无法表现出弯曲的特性，这也是单层驱动器在未来应该提升的一个方面。

图7 不同厚度的纳米纤维素在相对湿度为40%时曲 率随时间的变化图及8 μm厚的薄膜在不同相对湿度 下曲率随时间的变化图(a)[15]和薄膜在手指湿度刺激下的 弯曲形变图片(b)[15]Fig.7 Time dependence of the bending for different film thicknesses for a fixed humidity value difference ΔRH=40% and time dependence of the bending for different humidity values for a fixed film thickness of 8 μm(a) and image of membrane bending and deforming under finger humidity stimulation(b)

3.2 pH刺激驱动器

纳米纤维素由于表面易于改性，在调节pH的过程中能够使纳米纤维素产生形态变化，基于此，纳米纤维素成为了pH刺激响应的驱动器的研究热点[22，40]。2012年，Way等[21]阐述了改性过后的CNC-COOH和CNC-NH2在不同pH下的刺激响应机制。基于此原理，2020年，Chemin等[41]提出了一种由改性的纤维素纳米纤维(NFC)制备的双层膜驱动器，如图 8所示，该双层膜分别为带有羧基的NFC和不带羧基的NFC，为了验证这种驱动器的pH响应特性，首先将这种膜放入水中，发现并未出现弯曲变化，而当膜放入0.1 M的氢氧化钠中时，可以明显观察到在碱性pH的刺激下，由于羧基间的静电排斥使驱动器向着不含羧基的NFC方向进行弯曲，并在60 s内达到最大弯曲程度。另外，研究者通过对纳米纤维素进行不同程度的氧化，根据改性后所接电荷的含量使双层膜驱动器实现不同程度的弯曲，为驱动器实现可控弯曲提供了一种很好的制备途径。但是，这种纳米纤维素经改性后会极大的影响其本身的机械性质：带有多电荷的纳米纤维素相比于中性和少电荷的纳米纤维素具有差的机械性能，所以增强机械性能是今后pH驱动器所应提升的一个重要方面。

图8 由NFC和NFC-COOH组成的双层膜 驱动器在pH=13时的响应示图[41]Fig.8 The response diagram of a double layer membrane actuator consisting of NFC and NFC-COOH at pH=13

3.3 温度刺激驱动器

近年来，研究者对纳米纤维素在温度刺激下进行了大量研究，制备了许多性能优良的驱动器[42-43]。2019年，Kuang等[16]使用溶剂蒸发协作的自组装方法设计了一种具有微观图案的双层驱动器，这种驱动器由特定排列结构的纳米纤维素和被动层来构成，基于纳米纤维素在被动层上排列的微型结构及两层之间吸湿性的差异，在40 ℃的条件刺激下驱动器展现出了快达3.3 s的响应时间以及强大的驱动力，并通过实验证明了一块6 cm×1 cm×45 μm的长条可以提起相当于自生重量1000倍的物体，如图 9所示，在同类驱动器中显示出明显的性能优势。利用这种优良特性，作者设计了多种软驱动器模型可视化的展现了这种驱动器优异的力学性能，证明了其在软体机器人和仿生系统方面潜在的应用前景。

图9 CNF软体双层驱动器与先前报道的驱动器的 起重比对时间的响应图[16]Fig.9 Time vs. lifting weight ratio plot comparing various stimuli-driven actuators with the CNF-soft actuator

此外，水凝胶型驱动器在温度刺激下展现出明显的形变特性。2020年，Chang等[42]通过聚(N-异丙基丙烯酰胺)和聚 (N-羟乙基丙烯酰胺)构建了一种温度响应的双层水凝胶驱动器，通过向聚(N-羟乙基丙烯酰胺)表面添加纳米纤维素可以提高水凝胶的交联密度和粘性，使水凝胶的力学性得到很大程度的提升，经过实验证明，改性了的水凝胶驱动器可提起相当于自身重量18倍的物体。这对于水凝胶基驱动器的发展具有很好的促进效果。

3.4 光刺激驱动器

建立一种可远程操控的驱动器对于人工智能、仿生材料等领域来说具有十分重要的意义，因而建立光刺激型的驱动器对于驱动器的发展十分重要。2018年，Zhao等[31]利用一步原位聚合的方法，将纤维素纳米纤维加入到聚氮异丙基丙烯酰胺-纳米尺度的沸石粘土-聚乙烯醇-氧化石墨烯材料中构筑了一种具有纳米复合材料的水凝胶驱动器，经过实验研究发现随着纳米纤维素的增多将导致水凝胶的交联密度增加，使得水凝胶的强度和膨胀复原速率能力增强。如图10所示，随着纳米纤维素的增加，水凝胶的应力由不加纳米纤维素时的12.8 kPa依次增大为15.1 kPa、16.2 kPa、17.9 kPa，将有力的改善水凝胶的力学性能，提高水凝胶的强度。此外，这种方式所制备的水凝胶能够承受拉伸、弯曲、压缩和打结在内的多种复杂负载形式。在近红外光下，通过材料各组分间的相互作用可以实现水凝胶的快速弯曲响应，这种材料有望在仿生智能柔性材料领域得到运用和发展。

图10 不同NFC含量水凝胶的力学特性示意图[31]Fig.10 Stress values， strain values and the corresponding knotted state images of the hydrogels with various NFC contents

3.5 其他刺激驱动器

图11 静电纺丝方法制备PANI/CA驱动器的示意图[42]Fig.11 Schematic diagram of fabrication process for electrospun PANI/CA actuators

2013年，Hong等[44]制备了一种基于醋酸纤维素纳米纤维(CA)和聚苯胺(PANI)纳米微粒的薄膜驱动器，如图11所示，其运用静电纺丝的制造工艺使聚苯胺在醋酸纤维素纳米纤维膜上均匀分布，巧妙地利用了醋酸纤维素纳米纤维的极性羟基与聚苯胺仲胺之间的氢键相互作用，通过对电场中带电聚苯胺和醋酸纤维素纳米纤维内部自由离子的迁移特性进行调控就可实现驱动效果，研究发现，在3 V的工作电压下，醋酸纤维素纳米纤维中加入0.5wt%的聚苯胺时可比纯醋酸纤维素纳米纤维驱动器驱动性能提升4倍。这种利用离子静电相互作用来制备驱动器的方法极大的促进了驱动器的发展。此外，纳米纤维素还可结合一些特殊材料实现在其他特定条件下的刺激响应，他们将在软机器人、药物运输等领域发挥重要的作用[45-46]。

4 结 语

纳米纤维素作为一种新型可再生的绿色天然材料，具有官能团易于修饰改性，高力学性能和高透明度等优势。同时，纳米纤维素可被组装成多种宏观形式，根据使用过程中聚集态和形式不同，划分为一维纤维纤丝材料、二维薄膜材料以及三维凝胶材料，在驱动器领域发挥着重要作用。本工作依据纳米纤维素的结构特征，分别从纳米纤维素的制备、纳米纤维素在驱动器领域的驱动机制及相关驱动器的研究进展三个方面进行了论述。通过对近年来纳米纤维素在驱动器领域的研究进行总结，旨在说明各类纳米纤维素驱动器的优缺点，为制造更加性能优良的驱动器提供了借鉴和指导。