江苏大学胡兴好《ACS Nano》: 基于电渗效应的快速、双向驱动电化学人工肌肉

纤维人工肌肉具有仿生肌肉的结构与驱动性能，逐渐应用于软体机器人、假肢、柔性飞行器和生物医学等领域。碳纳米管（CNT）纤维具有高导电\高导热、优异的电化学和机械性能，是制作人工肌肉的理想材料之一。加捻成螺旋结构的碳纳米管纤维可在电热、湿度、光照等方式下进行驱动。其中，电化学驱动电压低，引起了人们的广泛关注。然而，对电化学驱动碳纳米管人工肌肉的研究大都集中在提升输出应变上，对其输出应力关注较少。并且，电化学驱动人工肌肉长期存在单向输出应力行为，即在正负电压作用下输出应力相互抵消。此外，输出应力存在电容依赖性问题，即输出应力随着扫描速率增大而减小。

为解决上述科学问题，近日，江苏大学胡兴好副教授等通过对CNT复合聚苯乙烯磺酸盐（PSS）制备出PSS@CNT复合纤维人工肌肉。在电化学电压作用下，该纤维输出的应力随电位呈单调变化，解决了传统电化学人工肌肉单向应力输出和应力抵消的问题。文中发现了PSS@CNT人工肌肉的输出应力随扫描速率呈先增大后减小的现象。提出了电渗泵驱动效应，即纤维在电化学作用下吸附的溶剂化离子会携带额外的自由溶剂分子，使其驱动应力增大。文章采用电化学微晶天平（eQCM）测试了溶剂化分子在迁移至纤维过程中动态吸附的自由溶剂分子个数，验证了PSS@CNT电化学人工肌肉存在电渗泵驱动效应。最后，文章还研究了纤维肌肉输出应力的影响因素及其刚度变化特征，并制作了一种基于该纤维人工肌肉的生物胶带。该生物胶带可贴敷在萎缩或受伤的人体肌肉上，在外施电压作用下，该胶带产生的收缩应力可诱导肌肉组织收缩，从而有助于受伤肌肉组织的训练与恢复。该研究以题为“Fast and Strong Carbon Nanotube Yarn Artificial Muscles by Electro-osmotic Pump”的论文发表在国际顶级期刊《ACS Nano》。论文第一作者和通讯作者为江苏大学胡兴好副教授，江苏大学为第一完成单位。

该项工作得到国家自然科学基金项目、江苏省自然科学基金项目、国家博士后基金、江苏省博士后科研基金项目、中国科协青年人才托举工程资助计划（2023QNRC001）和之江实验室重点研究项目（K2022NB0AC04）等项目资助。

图1. PSS@CNT复合纤维人工肌肉的双向应力输出行为

图2 纯CNT纤维和PSS@CNT 复合纤维人工肌肉的刚度变化性能比较。

图3 PSS@CNT复合纤维肌肉输出应力随扫描速率增加而增大

图4 PSS@CNT复合纤维电渗驱动效应原理图及其验证实验

图5 基于电化学驱动的纤维人工肌肉生物胶带的应用演示。

该工作是团队近期关于碳纳米管纤维人工肌肉的最新进展之一。针对电化学驱动CNT纤维人工肌肉存在产生单向应力输出以及应力抵消的问题，该工作提出了新思路、新方法，并对电渗驱动效应原理进行了探究和论证，同时展示了电化学人工肌肉的应用场景。该工作对电化学驱动CNT人工肌肉的研究具有一定的指导和借鉴意义。在过去的一年中，团队通过聚电解质功能化的策略，实现人工肌肉智能材料的“双极”驱动转变为“单极”驱动，同时发现了人工肌肉随电容降低，驱动性能增强的反常现象（Science 2021, 371, 494-498），这一重要突破解决了人工肌肉驱动性能的电容依赖性问题，为后续设计具有无毒、低驱动电压的高性能驱动器提供新的理论基础。

文章链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.3c07694

转自：“高分子科学前沿”微信公众号

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