一根“绕啊绕”的纤维，又一篇Science- 大数跨境

X-MOL资讯

2025-03-21

导读：Baughman课题组又在 Science杂志上发表论文，提出了一种无芯轴缠绕的新方法，在拉伸负荷下将两根或多根纤维扭曲缠绕在一起，而无需额外的支撑芯轴。成功制备出弹簧指数高达50、收缩行程超过97%

肌肉是人类可以完成许多活动的基础，如运动、呼吸以及面部表情控制。人体共有600多块肌肉，它们通过直接利用生物能或化学能来驱动运动。受生物肌肉运动原理的启发，科学家们研发了一种新型人工肌肉——“缠绕肌肉” ^[1]。这种肌肉由纤维缠绕而成，当外部提供能量时，纤维会沿螺旋方向转动，同时在长度方向上收缩，从而产生强大的驱动力。2011年，美国德克萨斯大学达拉斯分校Ray H. Baughman教授课题组就在Science 杂志上报道了利用高度扭曲的碳纳米管（CNT）纱线制造的人工肌肉。直径仅为12 µm的纱线在电化学充电时能够提供250 °/mm的旋转，转速可达590 rpm ^[2]。

碳纳米管缠绕而成的人工肌肉。图片来源：Science ^[2]

“缠绕肌肉”的性能主要取决于弹簧指数，即线圈直径与纤维直径的比值。弹簧指数的大小决定了肌肉的收缩行程与驱动力之间的平衡。一般来说，弹簧指数较大的缠绕肌肉能够产生更大的收缩，但其驱动力相对较小。

为了优化性能，科学家们开发了不同的缠绕方法，如自缠绕和基于芯轴的缠绕。自缠绕方法简单高效，但往往弹簧指数较小，限制了收缩范围。而基于芯轴的缠绕方法通过将扭曲的纤维绕在芯轴上，可以制造出弹簧指数更大的缠绕肌肉，使其收缩范围达到原长度的49%。然而，该方法往往会降低机械力输出，同时受芯轴尺寸的限制，肌肉的几何形状难以灵活调整 ^[3]。

人造肌肉不同的缠绕方式。图片来源：Science ^[4]

近日，Ray H. Baughman教授课题组又在 Science杂志上发表论文，提出了一种无芯轴缠绕的新方法，在拉伸负荷下将两根或多根纤维扭曲缠绕在一起，而无需额外的支撑芯轴。相比传统的有芯轴缠绕方式，这种方法利用每根纤维作为其他纤维的支撑结构。通过精确调控捻合数、扭转密度和退火温度，研究者成功制备出弹簧指数高达50、收缩行程超过97%初始长度的“缠绕肌肉”。

两根聚合物纤维捻合，形成高弹簧指数的缠绕肌肉。图片来源：Science ^[5]

研究者采用直径0.28 mm的尼龙-6纤维和PEC纤维作为原料，首先，对单根纤维施加初始扭转，然后将多根扭转纤维复捻成螺旋结构，并通过热退火固定形变。复捻过程中，每根纤维彼此充当“芯轴”，在第二次热退火后形成均匀的高弹簧指数结构。研究发现，降低复捻扭转密度可有效提高弹簧指数，优化退火温度则可增强形变能力。不得不说，实验视频中，生锈的铁架台、破碎的玻璃管，研究团队看起来是在“艰苦”的条件下完成了这项突破性研究。

无芯轴缠绕纤维制造过程：扭转、复捻和退火。图片来源：Science

无芯轴制造缠绕纤维。图片来源：Science

PEC纤维的弹簧指数可以通过制备过程中的扭转负载和扭转密度进行调节，并通过改变温度驱动其伸缩变化。当温度从25 °C升高至80 °C时，纤维表现出约20.7%的收缩能力，并且在超过1800次加热-冷却循环中保持稳定。不过，过高的二次热退火温度会导致纤维发生不可逆的解扭，显著降低肌肉的收缩能力。因此，二次退火温度应保持在148 °C。

高弹性指数PEC纤维的性能。图片来源：Science

该无芯轴制造工艺同样适用于CNT纱线，不过需要将低温退火，改为电脉冲高温退火工艺，即在惰性环境中通过电脉冲迅速加热至约3000 °C约1分钟，以固定加捻的CNT纱线结构。处理后的CNT纱线在溶剂驱动和电化学驱动下，收缩性能均可达到21.0%。

无芯轴CNT纱线的制备与性能。图片来源：Science

研究者将高弹簧指数的PEC肌肉纤维整合到双层纺织品中，纺织品在24 °C时保持平整，在43 °C热台上纤维收缩，驱动纺织品发生可逆形变。通过将CNT包覆在聚合物纤维表面，制备的“缠绕肌肉”可以通过电加热驱动，相比于改变环境温度，这种方式更易于控制。两根捻合在一起的缠绕纤维能够驱动一个5厘米长的机器人手臂弯曲，从而实现对收缩应变的精确控制。

聚合物纤维的应用。图片来源：Science

无芯轴缠绕纤维使双层纺织品收缩。图片来源：Science

内华达大学里诺分校的Jun Zhang教授在同期Science 杂志上评论道，“无芯轴缠绕方法特别适用于需要收缩能力强且拉伸负荷小的应用，如服装等柔性纺织品。拉伸负荷在自缠绕过程中至关重要，它能够在相邻线圈之间产生足够的间隙，避免在收缩过程中线圈发生干扰”^[5]。他还指出，尽管研究者对加工条件（如扭转密度、退火温度）进行了初步分析，但更深入的研究应能揭示针对特定性能指标的最佳制造条件和几何设计。这将有助于为特定机器人领域的人工肌肉功能建模提供参数。结合其他人工肌肉技术，有望实现软体机器人的复杂运动。

机器人手臂收缩。图片来源：Science

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

Mandrel-free fabrication of giant spring-index and stroke muscles for diverse applications

Mengmeng Zhang, Shaoli Fang, Wenting Cai, Chi Huynh, Fatma Göktepe, Jiyoung Oh, Zhong Wang, Ishara Ekanayake, Özer Göktepe, Ray H. Baughman

Science 2025 387, 1101-1108. DOI: 10.1126/science.adr6708

参考文献：

[1] S. Carter, et al., New twist on artificial muscles. PNAS 2016, 113, 11709-11716. DOI: 10.1073/pnas.1605273113

[2] J. Foroughi, et al., Torsional Carbon Nanotube Artificial Muscles. Science 2011, 334, 494-497. DOI: 10.1126/science.1211220

[3] D. Márcio, et al., Electrically, Chemically, and Photonically Powered Torsional and Tensile Actuation of Hybrid Carbon Nanotube Yarn Muscles. Science 2012, 338, 928-932. DOI: 10.1126/science.1226762

[4] S. Tawfick & Y. Tang, Stronger artificial muscles, with a twist. Science 2019, 365, 125-126. DOI: 10.1126/science.aax7304

[5] J. Zhang, Ply for a large stroke. Science 2025, 387, 1038-1039. DOI: 10.1126/science.adw2181#f1

导师介绍

Ray H. Baughman

https://www.x-mol.com/university/faculty/6447

（本文由小希供稿）

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