湿驱动仿生人工肌肉纤维材料的研究进展

王 勇 曹吉强 孙安彤 李长龙

（1.生物质纤维与生态染整湖北省重点实验室，湖北武汉，430200；2.安徽工程大学，安徽芜湖，241000；3.东华大学，上海，201620；4.新疆大学，新疆乌鲁木齐，830046）

智能材料的概念最早在1989 年由日本学者TAKAGI T 提出，是指能够感知外界环境变化并自身作出调整的功能材料［1⁃2］。生物肌肉是人体运动系统的重要组成部分，可产生肌肉收缩等运动行为［3⁃5］。基于“师法自然”这一理念，仿生人工肌肉材料应运而生。人工肌肉（又称为驱动器）作为智能响应材料的一个重要分支，能感知外界刺激（如气压、热、电、光、pH、葡萄糖、湿度等）而产生可逆的收缩、弯曲和扭转等行为，在智能服装、软体机器人、医用辅助理疗等诸多领域具有潜在应用价值。湿驱动仿生人工肌肉材料以制备简单、触发条件温和等诸多优点而颇受国内外学者关注。本研究对湿驱动人工肌肉材料的驱动原理和制备研究进展进行总结分析，探讨亟待解决的问题，以期为推进研究提供参考。

1 不同驱动模式下的人工肌肉材料

1.1 气压驱动型

气动人工肌肉通过压缩空气使其产生形变，从而对外界产生输出力和位移效应。气动人工肌肉具有结构简单、功率密度较大、工作介质无污染等优点，但存在驱动行程较小、难以精准控制、便携性有限等不足。按其结构形式可分为编织型、网孔型、嵌入型和特种型［6⁃7］。早期发明的Mckib⁃ben 型气动人工肌肉隶属于编织型气动人工肌肉的一种［8］。近年来，一些衍生结构的气动人工肌肉被相继提出，如ZHU M J 等提出的一种片状流体织物肌肉［9］；LI S G 等提出的基于压力差驱动的折纸式人造肌肉［10］。

1.2 热驱动型

热驱动人工肌肉是指受到温度变化而使材料形态发生转变的响应材料。常见材料有导电聚合物［11］、碳纳米管弹性复合材料［12］、碳纳米管［13］、高聚物长丝［14］、液晶聚合物［15⁃16］等。按其结构分为片层状和纤维状［17］。片层结构通常由柔性电极和聚合物构成，利用两者间的热膨胀系数差来实现材料弯曲运动；纤维状结构（螺旋线圈型）在热驱动下可实现自由伸缩。

1.3 电驱动型

电驱动材料可在电流或电场刺激下产生力学响应。按作用机理不同分为电子型和离子型［18］。电子型驱动材料通过静电作用使聚合物分子链重新排列，从而实现膨胀或收缩；离子型驱动材料通过离子的定向移动来实现材料的弯曲等变形。

1.4 光驱动型

与其他刺激源相比，光可对材料实施瞬时驱动而使其产生弯曲运动，且无需与材料接触，可有效避免因材料污染而造成的驱动性能下降。但存在响应速率较慢等不足，限制其大面积推广。

1.5 pH 驱动型

这类材料的结构和性能在受到外部pH 改变刺激时会发生变化。例如DAI L 等制备一种木质素水凝胶驱动器，可在酸/碱溶液中快速、可逆地实施响应［19］。

1.6 湿驱动型

这类材料能够感知外界湿度或水分变化而改变其自身结构，进而实现可逆的弯曲、伸缩、旋转等形变。按其宏观形态分为片层状和纤维状两类。该类材料以其制备简单、环境友好、触发条件温和等诸多优点而颇受关注。

2 湿驱动仿生人工肌肉材料的发展

2.1 片层状湿驱动仿生人工肌肉

片层状湿驱动仿生人工肌肉主要分为两大类：第一类对于不对称异质片层结构而言，一般为双层材料复合而成，各层材料的吸水膨胀能力存在显著差异性。当材料暴露于湿环境中时，吸水膨胀能力较高的一侧材料会以较大的驱动幅度向较差（或无）吸水膨胀能力的另一侧弯曲；第二类对于对称同质片层结构而言，当材料两侧的湿度或水分相当时，材料会发生润湿膨胀但无明显的弯曲；而当材料两侧湿度或水分差异较大时，水分子进入材料内部，使材料发生润湿膨胀的同时，向湿度或水分较大一侧拱起，最终可使材料发生弯曲变形。

关于不对称异质片层结构湿驱动仿生人工肌肉，LI X K 等制备具有可逆双向湿度和近红外光致动能力的双层膜［20］。一层为自组装纤维素纳米晶（CNC）胆甾相液晶层，另一层为添加具有高光热转换效率纳米银（AgNPs）的聚氨酯（PU）弹性体层。当驱动器暴露于湿态环境时，CNC 层开始吸水膨胀，使其以较大驱动幅度向非吸收性PU 层弯曲。

关于对称同质片层结构湿驱动人工肌肉，YANG L Y 等采用原位自发聚合法在MXene 纳米片层表面均匀修饰聚多巴胺（PDA）薄层，可有效解决该纳米片抗氧化性问题。以超细化细菌纤维素纳米纤维作为黏结支撑柔性基底，通过自组装过程，获得仿珍珠层状结构的湿敏型薄膜驱动器［21］。

2.2 纤维状湿驱动仿生人工肌肉

受自然界中植物螺旋藤蔓和人体DNA 结构的启发，纤维状（又称为螺旋线圈状）湿驱动仿生人工肌肉是除片层状之外的另一种主要结构形式，能够在湿度和水分刺激下发生伸缩、旋转等复杂形变行为。

2.2.1 伸缩型

2.2.1.1 研究情况

2015 年，LIMA M D 等将硅橡胶填充的碳纳米管施加强捻，制备出一种螺旋卷绕型复合人工肌肉材料，该材料对己烷具有高度敏感性。通过调节外应力，其最大收缩动程可达50%，外应力20 MPa时的最大收缩做功可达1 180 J/kg［22］。

2016 年，GU X G 等将碳纳米管（CNT）经过聚3，4⁃乙烯二氧噻吩∶聚苯乙烯磺酸盐（PEDOT∶PSS）溶液，制备PEDOT∶PSS@CNT 驱动器。该驱动器在水分刺激下表现出优异的收缩性。通过调节外应力，其最大收缩动程可达68%，外应力39 MPa 时的最大收缩做功约为300 J/kg［23］。

2016 年，KIM S H 等在碳纳米管中引入亲水性聚二烯丙基二甲基氯化铵（PDDA）客体材料，制备PDDA@CNT 混合型螺旋线圈状肌肉材料。其最大收缩动程可达78%，最大收缩做功为2 170 J/kg。经过循环100 次后其最大收缩动程基本保持不变。此外，在实测水温0 ℃～90 ℃范围内，湿驱动性能与水温无关［24］23016。

2018 年，YANG X H 等对天然棉、毛、麻等纤维施加强捻，利用上述纤维吸湿膨胀各向异性特性，制备出天然纤维湿驱动肌肉。其中，棉纤维人工肌肉最大收缩动程和收缩做功分别为16.6%和200 J/kg，羊毛纤维人工肌肉最大收缩动程和收缩做功分别为38%和194 J/kg，麻纤维人工肌肉最大收缩动程和收缩做功分别为11.4% 和44 J/kg［25］32262。2020 年，LI Y 等分别选用粘胶长丝和粘胶短纤纱，通过加强捻的方式制备出粘胶基湿驱动人工肌肉。研究表明，基于粘胶短纤纱人工肌肉的收缩能力明显优于长丝基人工肌肉，主要是因为人工肌肉湿驱动性受材料结晶度的影响，粘胶长丝的结晶度明显高于短纤纱。粘胶短纤纱基人工肌肉的最大收缩动程约为32.8%，外加应力为0.75 MPa时的最大收缩做功可达110 J/kg［26］。

2018 年，JIN K Y 等通过施加强捻手段制备单螺旋碳纳米管人工肌肉，为克服单螺旋肌肉材料结构不稳定等不足，采用对折自捻合法，制备出自支撑型碳纳米管肌肉材料。该材料在有机溶剂如丙酮的刺激下表现出优异的收缩驱动性能，但不发生扭转驱动。在外应力为4.8 MPa 时达到最大收缩动程13.3%，当外应力为9 MPa 时其收缩做功能力最大，可达847.2 J/kg［27］。

2018 年，SUN Y P 等采用化学气相沉积技术合成单臂碳纳米管（SWNT）薄膜，采用改进Hummers 方法合成氧化石墨烯（GO）。将收集有SWNT 薄膜的转轮通过GO 溶液，自然风干后从转轮上剥离备用。将GO@SWNT 薄膜切成细长条带状，而后加捻制备成纤维状驱动器。研究表明：该驱动器对水分具有敏感性，且不同直径的驱动器具有不同的收缩能力。伴随着直径的增加，其收缩动程逐渐增加。直径为350 μm 时收缩动程达到最大，约为50%［28］。

2019 年，JIA T J 等制备出螺旋卷绕型蚕丝人工肌肉（直径262 μm，弹簧指数1.8）。肌肉在接触水分后产生的最大收缩动程为3.3%，最大收缩做功为73 J/kg。通过对折自捻合法制备双螺旋蚕丝肌肉，在此基础上经过卷绕和热定形等手段可制备蚕丝伸缩肌肉，通过改变手性、捻度、湿度等因素可以调控其驱动性能。研究表明：湿度增加时，同手性肌肉产生收缩，而异手性肌肉伸长。当环境相对湿度从20%变化至90%时，其最大收缩动程达70%［29］1808241.9。2020 年，HU X Y 等研究发现，通过改变手性、捻度、湿度、弹簧指数等因素可调控竹纤维伸缩肌肉的湿驱动性能，同手性肌肉的最大收缩动程为50%，而收缩做功仅为1.08 J/kg［30］118103.6。

2021 年，WANG Y 等从荷花杆中直接抽丝得到直径约为20 μm 的条带状荷花纤维，对荷花纤维加强捻后可制得高效湿度/水分响应的伸缩型人工肌肉。通过调节外加应力，其最大收缩冲程可达33%，外加应力为20 MPa 时的最大收缩做功能力约为392 J/kg。经表面亲水改性后，其最大收缩冲程和最大收缩做功可达38% 和450 J/kg［31］6646。

2021 年，WANG Y 等基于纯亚麻纱线，通过调节制备过程中纱线合股数和悬挂重锤质量等参数，得出不同条件下对应的临界捻度值，对后续纺制结构成形良好的纯亚麻纱伸缩型人工肌肉提供基础。研究表明，单螺旋人工肌肉最大收缩冲程可达24.1%，最大收缩做功为111.4 J/kg。进一步采用对折自捻合法制备出自平衡型双螺旋人工肌肉，最大收缩动程约为18.2 %［32］075031。

伸缩型材料的湿驱动性能受原材料种类、肌肉构型（如单螺旋型、对折自捻合双螺旋型、中空芯轴型）、负载等诸多因素的综合影响，不同条件下的输出参数会发生变化。

2.2.1.2 伸缩型肌肉常见的结构及湿驱动机制

单螺旋型人工肌肉是最基础的类型，是指对制备肌肉所用原料（既可为同种材料也可为混合型材料）施加强捻（S 捻或Z 捻），最终加工成螺旋线圈状。其优点是加工装置和制备工序简单，缺点是该类型肌肉在自然状态下会发生一定程度的退捻，故在后续使用时需将其两端固定以防止其发生解捻行为。该类型肌肉的湿驱动机制：亲水基团的作用是影响材料吸湿性最本质的因素。以天然纤维原料为例，其内部存在极性基团。纤维吸湿后，其横向膨胀大于纵向膨胀，表现出显著的各向异性特征。螺旋状的纤维纱线可将径向面的转动转化为轴向面的收缩，从而形成伸缩驱动。

对折自捻合型双螺旋人工肌肉，先是将纤维施加强捻加工成单螺旋线圈状，再在其中间位置处对折，会自动发生反向捻合，最终形成双螺旋结构。该类型人工肌肉在自然状态下可以抵消单股人工肌肉所产生的扭矩，最终使材料在湿驱动下不发生扭转变形而仅发生长度方向的自由伸缩。

中空芯轴型人工肌肉，是在材料加捻后即将卷曲时，利用一个大直径的芯轴把肌肉做成中空结构。这种结构在制作时需要注意解旋问题，即在加捻完成后必须进行初次热定形，然后再卷绕在芯轴上作再次热定形。该类人工肌肉结构中存在更大的线圈间隙，可为收缩提供更大的运动空间，使收缩率大大提升，但其负载能力明显降低［33］。

2.2.2 旋转型

2.2.2.1 研究情况

2015 年，HE S S 等用高取向度的碳纳米管加捻成扭曲纤维，用氧等离子对其表面进行亲水改性。将多根亲水处理后的碳纳米管纤维施加过量捻度，制备出具有多级结构特征的碳纳米管人工肌肉，纤维表面嫁接的羟基和纤维之间的沟壑有利于水分子的吸附和肌肉的快速驱动响应。试验表明，该肌肉在高湿态（相对湿度80%以上）环境下产生22.8 MPa 的收缩应力。与水接触后可产生瞬时扭转，最大转速可达170.3 r/min［34］。

2019 年，JIA T J 等通过对蚕丝纤维加捻后以对折自捻合的方式制备了双螺旋蚕丝扭转肌肉。当暴露在水雾高湿态环境中时，蚕丝扭转肌肉可以提供完全可逆的扭转动程，最大旋转速度和扭转动程分别为1 125 r/min 和547°/mm。经过500次循环后仍保持良好的驱动性能［29］1808241.6。2020年，LI Y Y 等采用对折自捻合法，调节捻度和合股数等因素，制备一系列棉纤维双螺旋湿驱动人工肌肉。当暴露在湿态环境中时，可产生的最大扭转速度和扭转动程分别为720 r/min 和42.55°/mm［35］。同样地，竹纤维扭转肌肉的最大扭转动程可达64.4°/mm［30］118103.8。

2020 年，LIN S H 等采用对折自捻合法制备纯蚕丝扭转肌肉。通过改变蚕丝合股数等参数可调控其湿驱动性能。该肌肉可在4.8 s 内达到最大转速1 030 r/min［36］1902743。

2020 年，HUANG L B 等对聚酰胺⁃6 静电纺纤维施加强捻制备出螺旋线圈状人工肌肉。该材料在有机溶剂如二氯甲烷、丙酮、甲醇、乙酸乙酯、四氢呋喃、乙醇等的刺激下表现出优异的旋转性能，其中二氯甲烷的敏感性最高，其转速约为200 r/min。进一步研究发现，最大转速与肌肉的直径、长度、悬挂质量等因素密切相关［37］。

2021 年，WANG Y 等从荷花杆中直接抽丝得到直径约为20 μm 的条带状荷花纤维，采用强捻⁃自捻合法，最终制得结构稳定的类股线旋转型人工肌肉。通过优化捻度，旋转人工肌肉最大旋转动程可达200°/mm，最大转速可达200 r/min，具有很好的循环稳定性［31］6644。

旋转型肌肉材料的湿驱动性能同样受原材料种类、肌肉构型（如对折自捻合双螺旋型、单螺旋型等）、负载等诸多因素的综合影响。

2.2.2.2 旋转型肌肉常见结构及湿驱动机制

旋转型湿驱动人工肌肉常见结构有单螺旋型和对折自捻合型。对折自捻合双螺旋人工肌肉结构的成形方法：对纤维原料施加一定的捻度后停止加捻，该结构在自然状态下不稳定并且趋于解捻，故将加捻的纤维从其中间处对折，两股加捻纤维会自动捻合在一起，其自捻合方向与纤维加捻方向相反，最终可得到力矩平衡的具有双螺旋结构的旋转型湿驱动人工肌肉。其中，自捻合密度与纤维初始加捻密度密切相关，呈正相关。在湿态下，旋转肌肉的每股单螺旋纤维都会发生体积膨胀产生解捻现象，使得两个单螺旋纤维同时向解捻方向扭转，将会导致这两股纤维更加紧密地捻合在一起，而水分蒸发后（干态）则相反［38］41。单螺旋旋转型人工肌肉结构在湿度刺激下产生扭转变化，是由于在湿态环境下纤维集合体发生体积膨胀而产生解螺旋导致的。

3 湿驱动仿生人工肌肉材料的应用

湿驱动仿生人工肌肉具有环境友好特性，无需外界施加能量，仅需湿气/水分刺激即可实现“自驱动”，近年来颇受关注。相比于片层状肌肉材料而言，纤维状肌肉材料制备工序简单，仅需通过传统加捻纺纱技术即可成形，具有广泛的应用前景。

（1）工业用机械臂。将单螺旋麻纤维肌肉与模型挖掘机相组合，制作工业用机械臂，其在湿/干态环境下可实现可逆伸缩，模拟铲斗的提升运动［32］075031。将荷花纤维人工肌肉集成到人造手臂上，可在30 s 内将上臂和前臂夹角缩小40°［31］6647。

（2）智能通风换气窗户，可调节窗户的打开与闭合。KIM S H 等设计一种通风系统，上面的挡板固定在顶板上，下面的挡板连接到肌肉末端。当湿度增加时，肌肉收缩带动挡板上升，反之则下降［24］23016。

（3）“可呼吸”服装面料可实现服装温度调节，实时改善穿着舒适性。YANG X H 等设计了一种湿度敏感的织物结构，可根据个人出汗情况迅速、可逆地改变其孔隙率。当穿着者出汗时，气孔遇水膨胀打开，增加了织物透气性［25］32263。

（4）促进伤口愈合的医用辅助装置。将双螺旋蚕丝肌肉贴附在伤口表面，在湿态环境下，伤口会逐渐贴合在一起，以达到促进伤口愈合的目的［36］1902743。

（5）天然湿度计。利用中空芯轴型同手性蚕丝伸缩肌肉在不同相对湿度氛围下的收缩长度不同，标记不同长度所对应的相对湿度值，环保实用［38］66。

4 结语

湿驱动仿生肌肉材料发展日趋成熟，性能不断提升，今后还需要从以下方面不断深入研究。一是开发具有多重刺激响应的人工肌肉材料。目前单一驱动人工肌肉材料的制备已相对成熟，将不同材料进行组合以及采取不同的制备方式以实现不同模式的驱动性能，值得深究。二是湿驱动肌肉材料回程干燥技术的集成一体化。目前主要通过自然风干或电热枪等方式使湿态肌肉干燥，控制精度较低。如何将电加热材料集成到肌肉中，通过焦耳热方式对材料实施返程精准驱动，提升湿驱动人工肌肉的回程速率值得关注。三是仿生人工肌肉湿驱动耐久性的提升。目前制备的大多数湿驱动肌肉在循环使用情况下会产生疲劳效应，如何降低或消除肌肉的疲劳效应，实现高效耐久性的往复驱动性能有待解决。四是进一步拓展纤维状湿驱动人工肌肉材料结构的多样性，并通过机织、针织、编织等加工手段集成智能纺织品，实现更为复杂的运动，以期进一步提升其综合驱动性能。