《Advanced Science》：Dual-Responsive Yarn-Based Artificial Muscles for Adaptive Thermal Management
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本綜述創(chuàng)新性地提出了一種耦合濕氣驅(qū)動(dòng)與電熱恢復(fù)的混合紗線基人工肌肉（HYAM），通過仿生骨骼肌意識(shí)運(yùn)動(dòng)機(jī)制解決了傳統(tǒng)濕度響應(yīng)肌肉（MYAM）存在驅(qū)動(dòng)緩慢、恢復(fù)不可控的核心難題。研究表明，HYAM相較于純紗線肌肉驅(qū)動(dòng)行程提升128%，驅(qū)動(dòng)速度提升136%，電熱恢復(fù)技術(shù)將恢復(fù)時(shí)間和全周期時(shí)間分別縮短91%和83%。其驅(qū)動(dòng)的雙模式輻射織物（DRF）可實(shí)現(xiàn)制冷（高太陽反射率與中紅外發(fā)射率）與制熱（高太陽吸收率與低中紅外發(fā)射率）模式的自主切換，為智能可穿戴設(shè)備與建筑節(jié)能提供了突破性解決方案。
引言
面對全球極端天氣與氣候變化，開發(fā)能夠通過結(jié)構(gòu)變化實(shí)現(xiàn)熱調(diào)節(jié)的自適應(yīng)紡織品至關(guān)重要。濕度響應(yīng)紗線基人工肌肉（MYAM）雖具備與紡織品的天然兼容性，卻受限于緩慢不可控的驅(qū)動(dòng)性能。受骨骼肌意識(shí)運(yùn)動(dòng)機(jī)制啟發(fā)，本研究開發(fā)出耦合濕氣驅(qū)動(dòng)與電熱恢復(fù)的混合紗線基人工肌肉（HYAM），通過仿生設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)性能與恢復(fù)效率的協(xié)同提升。
紗線基人工肌肉的制備與扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)性能
以高保水值粘膠纖維為芯材，通過凝膠態(tài)單層Ti3C2TxMXene（100 mg/ml）涂覆構(gòu)建導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)Z向加捻與S向合股形成HYAM。MXene鞘層不僅增強(qiáng)親水性，還賦予電熱響應(yīng)能力。當(dāng)吸附水分子時(shí)，纖維體積膨脹導(dǎo)致單纖維解捻，合股結(jié)構(gòu)產(chǎn)生反向扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)。與純紗線肌肉（PYAM）和半混合肌肉（SHYAM）相比，HYAM（3000 tpm捻度）最大旋轉(zhuǎn)行程達(dá)1163°/cm，提升51%-128%；驅(qū)動(dòng)峰值轉(zhuǎn)速達(dá)314 r.p.m.，機(jī)械強(qiáng)度提升35%。研究表明，驅(qū)動(dòng)性能與捻度呈正線性關(guān)系，6000 tpm HYAM行程可達(dá)2394°/cm。
電熱加速恢復(fù)的雙響應(yīng)驅(qū)動(dòng)機(jī)制
通過銀鍍尼龍導(dǎo)線施加電壓，MXene導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生焦耳熱（15 V時(shí)40秒內(nèi)升溫至39°C），加速水分脫附并觸發(fā)扭轉(zhuǎn)恢復(fù)。電熱恢復(fù)將自然干燥的120秒周期縮短至20秒，全周期時(shí)間減少83%。經(jīng)過50次濕-熱循環(huán)，HYAM驅(qū)動(dòng)行程穩(wěn)定性偏差小于10%，但MXene涂層的部分脫落導(dǎo)致恢復(fù)速度從568 r.p.m.降至260 r.p.m.。500次循環(huán)測試證實(shí)其在動(dòng)態(tài)濕度環(huán)境中仍保持結(jié)構(gòu)完整性與驅(qū)動(dòng)穩(wěn)定性。
理論與仿真驗(yàn)證驅(qū)動(dòng)機(jī)理
通過幾何模型與有限元分析（FEA）揭示纖維體積變化與螺旋角（αf）的關(guān)聯(lián)性。理論公式ΔT/T0= ΔD/D0表明，纖維直徑變化（ΔD）直接驅(qū)動(dòng)紗線捻度變化（ΔT）。仿真結(jié)果證實(shí)濕氣吸附引發(fā)纖維橫向膨脹與縱向收縮，進(jìn)而通過合股結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為宏觀扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，驗(yàn)證了濕度-機(jī)械能轉(zhuǎn)換的高效性。
自適應(yīng)輻射調(diào)控應(yīng)用
基于"紡錘驅(qū)動(dòng)門控"理念，HYAM驅(qū)動(dòng)雙模式輻射織物（DRF）實(shí)現(xiàn)熱管理功能：制冷層（白色棉布+PDMS/TiO2）具備91%太陽反射率與89%中紅外發(fā)射率；制熱層（黑色棉布+MXene）實(shí)現(xiàn)72%太陽吸收率與31%中紅外發(fā)射率。實(shí)地測試（香港，2024年10月）顯示，DRF在制冷模式下較白色對照織物降低室內(nèi)溫度3.4°C，凈制冷功率達(dá)107.3 W/m2；制熱模式可通過濕度升高或電刺激自主切換�；谌梭w汗區(qū)圖譜的智能服裝演示中，2.39 mg HYAM成功驅(qū)動(dòng)超自身重量25倍的DRF（60.5 mg），表面溫度始終低于皮膚灼傷閾值（44°C），證實(shí)其穿戴安全性。
結(jié)論與展望
HYAM通過仿生設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動(dòng)速度、行程與恢復(fù)效率的突破，為智能紡織品、建筑節(jié)能及軟體機(jī)器人提供了創(chuàng)新解決方案。未來研究將聚焦于復(fù)雜環(huán)境下的長期穩(wěn)定性優(yōu)化與規(guī)模化制備工藝開發(fā)，推動(dòng)人工肌肉在自適應(yīng)熱管理領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。
