近日，中科院谷孝剛等人將碳納米管網(wǎng)絡(luò )作為骨架，選用親水性材料包覆的方式來(lái)實(shí)現對原始結構的改性，制備出新型復合纖維致動(dòng)器。
致動(dòng)器是一種能夠在外界信號源的驅動(dòng)下產(chǎn)生一定的位移響應或提供力學(xué)輸出的器件，亦稱(chēng)人工肌肉。這種器件將其他形式的能量轉化為機械能，其種類(lèi)及應用都十分廣泛。例如，大家熟知的電動(dòng)機就是一種典型的電致動(dòng)器。此外，用于制造衛星天線(xiàn)的形狀記憶合金、產(chǎn)生精準位移的壓電陶瓷等，也都可看作是致動(dòng)器。
碳納米管是一種具有多方面突出性能的碳納米材料。研究者們利用碳納米管優(yōu)異的力學(xué)強度和柔韌性、較高的電導、較強的光吸收能力等優(yōu)良特性制備了各種各樣的致動(dòng)器。以輸出的運動(dòng)形式來(lái)分類(lèi)，主要有碳納米管/高聚物雙層彎曲致動(dòng)器、碳納米管/凝膠電解質(zhì)/碳納米管三層彎曲致動(dòng)器，以及碳納米管（復合）纖維扭轉致動(dòng)器。其中，彎曲致動(dòng)器一般是依靠電或光的激勵，使器件兩端發(fā)生非對稱(chēng)的體積形變，進(jìn)而引起整體結構的彎曲；而扭轉致動(dòng)器則是基于螺旋結構的纖維體積膨脹后產(chǎn)生解旋運動(dòng)，同時(shí)往往還會(huì )伴隨軸向的提拉運動(dòng)。相比傳統的電動(dòng)機而言，這些器件具有結構和工藝更加簡(jiǎn)單、便于微型化等優(yōu)勢，在人工智能、生物醫療、微傳感器等諸多領(lǐng)域具有廣闊的應用前景。
圖1（a）復合纖維的制備過(guò)程；（b）致動(dòng)機理示意圖；（c）不同槳葉質(zhì)量下的扭程和提拉應變。
針對碳納米管纖維扭轉致動(dòng)器，以往較多的研究集中在利用電熱效應、光熱效應或電化學(xué)離子嵌插效應引發(fā)致動(dòng)。最新的工作則注意到碳納米管對酒精、丙酮等有機溶劑的親和性，通過(guò)液態(tài)或氣態(tài)溶劑的直接激勵，使器件產(chǎn)生十分顯著(zhù)的扭轉行為。受自然界中諸多濕度致動(dòng)現象的啟發(fā)，如松果的鱗片會(huì )隨著(zhù)空氣濕度的變化而關(guān)閉或張開(kāi)、某些植物種子上的須刺因晝夜濕度的交替變化將種子推進(jìn)到更深的土壤層，研究者們也希望利用輕質(zhì)、高強度的碳納米管纖維結構制備出由最常見(jiàn)的無(wú)機溶劑-水驅動(dòng)的扭轉致動(dòng)器。然而，碳納米管本身是一種疏水材料，這意味著(zhù)原始碳納米管構建的纖維不會(huì )對水產(chǎn)生有效的響應。雖然可以采用等離子體輻照的方式對碳納米管進(jìn)行親水性處理，但是這將在一定程度上破壞碳納米管的分子結構，引入較多的缺陷，從而降低了力學(xué)強度。此外，這種方法只能修飾結構表面的親疏水性，而內部的疏水性幾乎不會(huì )改變。
圖2復合纖維的扭轉和提拉致動(dòng)性能測試。（a）激光位移傳感器記錄槳葉的扭轉運動(dòng)；（b）扭轉致動(dòng)的循環(huán)穩定性測試；（c）玻璃片限制槳葉扭轉；（d）復合纖維提拉自身重量~11，309倍的重物，最大應變~9.4%；（e）復合纖維的提拉應變和功率密度隨槳葉質(zhì)量的變化關(guān)系；（f）提拉致動(dòng)的循環(huán)穩定性測試。
中科院多年來(lái)一直致力于碳納米材料的制備、物性與應用基礎研究，近期谷孝剛等人將碳納米管網(wǎng)絡(luò )作為骨架，選用親水性材料包覆的方式來(lái)實(shí)現對原始結構的改性。經(jīng)過(guò)對比，PEDOT:PSS這種材料不僅對水具有非常高的敏感度和吸收能力，而且在水環(huán)境中能夠保持長(cháng)時(shí)間的穩定性，另外還能通過(guò)π-π鍵相互作用與碳納米管發(fā)生較為緊密的結合。這種CNT/PEDOT:PSS復合纖維致動(dòng)器展現出很好的水（濕度）致動(dòng)性能。特別地，通過(guò)限制纖維的扭轉運動(dòng)，可以極大地提高軸向的提拉輸出，其能量密度和提拉應力可達到96.9J/kg和39MPa，分別約是動(dòng)物肌肉的12倍和110倍。在濕度較高的條件下，由于碳納米管和PEDOT:PSS都是導電材料，器件還可以實(shí)現快速、大幅度的電致動(dòng)。這種新型復合纖維致動(dòng)器在濕度傳感、發(fā)電、微流體攪拌等方面具有潛在的應用前景。
圖3（a）復合纖維對環(huán)境濕度的響應；（b）復合纖維編織物；（c）在幅值10mA，周期~1s的脈沖電流激勵下發(fā)生電致動(dòng)。
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