近日，杭州师范大学朱雨田教授团队联合南开大学刘遵峰教授在《Advanced Functional Materials》发表最新研究成果，题为《Fast-Response and Large-Deformation Moisture-Driven Janus Structured Fiber Actuator Composed of Multiscale Hydrophilic–Hydrophobic Interfaces》。该研究受自然界湿敏植物结构启发，利用聚乙二醇（PEG）合成亲水性聚氨酯（SPU），采用并列湿纺技术构筑出具有多尺度亲水–疏水界面的Janus结构纤维驱动器。这种独特的多层级界面结构可在湿气作用下快速产生界面应变失配，实现高达96.68%的收缩率和58.23% s⁻¹的收缩响应速度，其性能水平远远超越目前已报道的湿气响应纤维，接近自然界中的生物驱动系统。该工作为通过界面结构设计实现湿气诱导的化学势能向机械能高效转化提供了新思路，并为智能仿生驱动器、柔性机器人及可穿戴设备等领域的高性能湿气响应材料设计开辟了新的方向。
在自然界中，许多植物依靠湿度变化实现种子释放、捕食等复杂运动，这种由特定细胞层体积变化差异引发的湿气驱动变形机制，长期以来启发了人工驱动材料的设计。相比于光、热、磁等刺激源，湿气驱动器能够直接利用空气中丰富的水汽能量，无需额外能源供给，因而在柔性机器人、仿生装置与可穿戴系统中展现出独特优势。然而，现有湿气驱动材料普遍存在响应速度慢、形变幅度不足、机械稳定性差等瓶颈，难以同时实现“快”与“大”的动态响应。如何通过分子结构与多层次界面的协同设计，高效调控湿敏组分的吸湿溶胀与界面形变传递，从而实现媲美天然系统的湿气驱动性能，成为当前该领域亟待解决的科学问题。
一、结构创新：多尺度亲水-疏水界面设计
图1. Janus纤维驱动器的制备与表征。a）连续湿纺制备Janus纤维驱动器的示意图；b）Janus纤维批量收集的照片；c–d）Janus纤维拉伸前（c）与拉伸后（d）的照片；e）干燥与湿润状态下的应力–应变曲线；f–h）不同角度下的扫描电镜（SEM）图像，显示纤维的Janus界面结构；i, j）纤维横截面的SEM图像，清晰可见PU与PEG-47区域的界面；k）打结状态的Janus纤维体现其优异柔韧性。
图2. 湿气驱动Janus纤维驱动器的作用机制与性能。a）湿气驱动的变形机制示意图；b）亲水岛相在湿气刺激后的面积变化随时间的演化；c–d）干燥状态下亲水性一侧光滑的显微镜图像；e–g）湿润状态下亲水性表面的岛相结构溶胀导致表面粗糙的显微镜图像。
以聚乙二醇（PEG）为原料合成的亲水性聚氨酯（SPU）被用作湿气响应组分，并与常规疏水聚氨酯（PU）共混，构筑出具有微观“海–岛”相分离的结构体系。该结构中大量分布的亲水–疏水界面不仅有助于加快湿气的传导与扩散，还显著促进了水分的吸附与释放；同时，岛相在吸水后发生溶胀而非溶解，从而维持了体系的力学稳定性。随后，将该SPU/PU共混物与纯PU溶液进行并列湿纺，成功制备出具有宏观Janus结构的两性纤维。得益于两组分硬段中氨基甲酸酯键间的氢键作用，两侧界面结合紧密。当纤维受湿气刺激时，亲水侧的体积膨胀与疏水侧的稳定性形成显著差异，在Janus界面上产生应变失配，从而驱动纤维发生快速弯曲变形。
二、性能展示：超快响应与超大形变
图3. Janus纤维驱动器的湿气响应性能。a）Janus纤维在0.7s湿气作用后的收缩及恢复过程；b）收缩率随时间的变化；c）收缩速度随时间的变化；d）循环稳定性测试；e）本研究驱动器的曲率、最大响应速度及最大收缩率与文献中已报道湿气驱动器的性能对比。
在湿气刺激下，Janus纤维驱动器表现出接近自然生物体系的快速响应特性。如图3所示，纤维仅在受到0.7 秒的湿气刺激后即可由直线迅速收缩成螺旋形，收缩率达到80.57%，在停止刺激后又能快速恢复，充分展现出其优异的形变能力。此外，Janus纤维的曲率高达 33.33 cm⁻¹，最大响应速度可达 14.2 cm⁻¹·s⁻¹，最大收缩率达 96.68%，实现了湿气驱动体系中罕见的“高幅度–高速响应”协同性能。经过 20 次湿润–干燥循环测试后，驱动器仍能保持稳定的收缩比率与响应速率，显示出出色的可逆性与结构耐久性。性能对比结果表明，本研究构建的Janus纤维在收缩速率、响应曲率和形变幅度等指标上均处于当前湿气驱动纤维体系的领先水平。这一系列结果充分验证了多尺度亲水–疏水界面结构在加速湿气传导、放大界面应变失配与提升驱动效率方面的关键作用，为实现高性能、低能耗的智能柔性驱动提供了新的材料设计思路。
三、应用展示：从仿生驱动到柔性智能系统
图4. 仿生运动示例。a, b）自然钟虫（Vorticella）收缩过程；c, d）本研究Janus纤维实现的人工钟虫收缩过程；e, f）Janus纤维模拟的人工卷须的湿气响应收缩行为。
图5. 湿敏智能应用示例。a）湿敏智能假发示意图；b）由Janus纤维驱动器制备的湿敏智能假发；c）i, ii）环境湿度触发LED灯响应；iii）湿敏智能开关电路示意图。
凭借Janus纤维驱动器的超快响应与大幅形变特性，本研究成功实现了多种仿生运动。如图4所示，纤维可模拟自然钟虫的快速收缩，以及植物卷须的卷曲运动，充分展示了其在生物启发型柔性驱动器中的潜力。基于这种驱动能力，研究团队进一步开发了湿敏智能假发与环境感知装置（图5）。当环境湿度变化时，Janus纤维能够触发假发卷曲、LED灯亮灭及湿敏开关动作，实现湿气感知–机械响应–电子控制的耦合。这些应用示例表明，该湿气响应Janus纤维不仅可用于仿生驱动研究，还可拓展至柔性机器人、可穿戴智能设备及环境自感知系统，为高性能、低能耗的智能柔性系统设计提供了新的实现路径。
四、总结
本研究通过构建多尺度亲水–疏水界面的Janus纤维，实现了湿气驱动下的超快响应与超大形变。纤维在短时间内即可完成高幅度收缩，同时保持优异的循环稳定性和力学稳定性，性能接近天然生物驱动系统。基于这种驱动能力，团队进一步展示了仿生卷须运动、人工钟虫收缩以及湿敏智能假发和环境感知装置等应用，拓展了其在柔性机器人、可穿戴智能设备及智能仿生系统中的潜在价值。该工作不仅为湿气能量向机械能的高效转化提供了新思路，也为未来高性能、低能耗的智能柔性驱动材料设计开辟了新的方向。
论文信息
标题：Fast-Response and Large-Deformation Moisture-Driven Janus Structured Fiber Actuator Composed of Multiscale Hydrophilic-Hydrophobic Interfaces
作者：Xiang Ding, Jianwen Chen, Zenghe Liu, Zunfeng Liu, Yutian Zhu
期刊：Advanced Functional Materials
DOI：https://doi.org/10.1002/adfm.202518322
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