近年来，材料科学家设计了一系列可用于创造新技术的创新材料，包括软机器人、控制器和智能纺织品。这些材料包括人造肌肉，形状类似于生物肌肉的结构，可以改善机器人的运动或制造适应不同环境条件的服装。
作为正在进行的以纺织品为基础的软致动器项目的一部分，江南大学的一组研究人员最近开发了基于独立单螺旋羊毛纱线的新型人造肌肉。他们在Smart Materials and Structures上发表的一篇论文中介绍了他们的人造肌肉，可用于轻松且经济地生产可以检测和响应环境中的湿度的扭曲致动器。
“我们正在尝试通过利用纺织品的层次结构设计来设计灵活和多功能的执行器，从微观尺度（例如，分子链和聚集结构）到宏观尺度（例如，纤维形态和纺织品结构），”研究人员孙丰新。“通过环保且易于制造的制造工艺实现具有独立式和单螺旋结构的基于纱线的人造肌肉仍然具有挑战性。”
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孙丰新和他的同事最近工作的主要目标是克服在设计基于纱线（即细纱）的人造肌肉时面临的一些常见挑战。最值得注意的是，过去的研究表明，在不使用有害化学物质或工艺的情况下，可靠地加捻纱线以创建独立的人造肌肉结构绝非易事。
然而，江南大学的研究人员能够确定一种环保的处理策略，以可靠地生产基于单螺旋纱线的肌肉。他们的制造方法基于紫外线照射和等离子蚀刻的结合，这是一种常用于生产集成电路的等离子处理技术。
这种加工技术可以限制羊毛纤维的能量耗散，从而提高人造肌肉的驱动性能。此外，它有效、可扩展且易于实施，因此非常适合在工业水平上制造这些类似肌肉的结构。
“我们创造的羊毛纱线人造肌肉在交替暴露于潮湿和干燥环境时会显示出可逆的扭转驱动，”孙解释说。“由于高度加捻的羊毛的吸湿膨胀增强，纱线肌肉在润湿时表现出令人印象深刻的扭转驱动。由重整的二硫化物网络产生的羊毛中的固化螺旋形态赋予羊毛纱线以‘形状记忆效应’。”
由于研究人员使用了独特的设计和制造方法，构成其人造肌肉结构的纱线在干燥后可以恢复其原始的螺旋形状，而无需集成外部弹簧。在最初的测试中，基于单螺旋纱线的肌肉表现出可逆和湿度感应驱动，以及具有较低能量耗散的高湿度驱动性能。
值得注意的是，所采用的制造工艺也是环保的，因为它不需要任何化学和有毒添加剂。由于他们的人造肌肉是由羊毛制成的，羊毛本质上是可生物降解和可再生的，它们可以用来创造更可持续的技术和智能纺织品。
“单螺旋结构通常被认为是不稳定的，并且在没有外部扭转束缚的情况下容易解捻，但我们在这里利用羊毛螺旋结构状态下重组二硫键的内部束缚效应，通过紫外线稳定纱线肌肉中插入的捻度光照和自动氧化，”孙说。“这种策略完全环保，大大提高了毛纱肌肉的驱动性能。”
未来，这组研究人员最近的工作可能会激发开发新的基于纱线的执行器和用于机器人的人造肌肉，这些执行器可以以合理的成本可持续地大规模生产。此外，他们生产的单螺旋毛纱可用于制造舒适、透气、无毒、亲肤的纺织品，用于智能服装、智能野营装备和其他智能纺织产品。
“在我们下一阶段的研究中，我们将探索人造肌肉的工业制造路线，实现其量产，并推动技术创新，以实现纱线肌肉在智能纺织品中的商业应用，”孙补充道。“想象一件衬衫，纱线可以通过智能切换织物上的气垫来适应不同的天气条件，这将是令人着迷的。我们希望这种衣服能够以低成本在我们的日常生活中出现。”
