電熱驅(qū)動的復合尼龍螺旋纖維人工肌肉

朱震東，汪映寒，秦家強，程 沛

(四川大學高分子科學與工程學院，四川 成都 610065)

生物肌肉具有傳遞能量、傳遞信息和自我修復等功能，在自然界中，生物一系列運動的完成依賴于肌肉的收縮和舒張。例如，獵豹能夠以高達29米/s 的速度捕捉獵物，信天翁能夠無需休息地連續(xù)飛行數(shù)十天，飛行距離約為1.5×104公里[1,2]。受自然界中生物肌肉卓越性能的啟發(fā)，研究者致力于研發(fā)模仿肌肉運動功能（如運動、舉重、旋轉(zhuǎn)和彎曲）的人工肌肉。當外部刺激出現(xiàn)時（例如，電場、濕度、光照、溫度等的變化），人工肌肉的幾何形狀發(fā)生可逆地變化，最終表現(xiàn)出各式各樣的機械運動行為。人工肌肉的種類主要分為氣動人工肌肉[3]、水凝膠人工肌肉[4]、導電聚合物人工肌肉[5]、介電彈性體人工肌肉[6]、螺旋碳材料纖維人工肌肉[7]及螺旋聚合物纖維人工肌肉[8～10]等。其中，基于聚合物螺旋纖維的人工肌肉是一種新興的人工肌肉。近年來，它在智能織物[11]、柔性外骨骼[12]、軟體機器人[13]、醫(yī)療器件[14]、能量收集器件[15]等諸多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景和重要的研究價值。

2014 年，Ray 等[9]通過加捻技術(shù)將尼龍釣魚線/縫紉線制備成為尼龍螺旋纖維人工肌肉。尼龍螺旋纖維人工肌肉是以熱水/冷水的熱傳導方式進行驅(qū)動，當將水溫從25 ℃切換到95 ℃時，尼龍螺旋纖維人工肌肉在8.6 MPa 的驅(qū)動載荷下能夠產(chǎn)生12%的收縮驅(qū)動形變。這種尼龍螺旋纖維人工肌肉還展現(xiàn)出了高于其他種類人工肌肉的驅(qū)動應(yīng)變、能量密度、功率密度及循環(huán)壽命。此外，它還具有優(yōu)良的力學性能、良好的柔韌性，在形態(tài)上更接近天然生物肌肉。然而，這種熱傳導方式使加熱介質(zhì)與外部環(huán)境之間存在大量不可避免的熱耗散，這種現(xiàn)象降低了尼龍螺旋纖維人工肌肉的驅(qū)動形變并延長了響應(yīng)時間。

本文以鍍銀尼龍纖維為前驅(qū)體材料，通過加捻的方式制備了鍍銀尼龍螺旋纖維人工肌肉。對加捻工藝進行進一步設(shè)計，使用鍍銀尼龍纖維和常規(guī)尼龍纖維共加捻，制備復合尼龍螺旋纖維人工肌肉。在相同的輸入電功率下，通過調(diào)控電阻特性使復合尼龍螺旋纖維人工肌肉產(chǎn)生更高的驅(qū)動溫度，從而在不改變材料種類的前提下實現(xiàn)更好的驅(qū)動性能。

1 實驗部分

1.1 原料

鍍銀尼龍6 纖維：平均直徑為19.3μm，蘇州泰克銀纖維科技有限公司；常規(guī)尼龍6 纖維：平均直徑為18.35μm，蘇州泰克銀纖維科技有限公司。

1.2 螺旋纖維人工肌肉的制備

通過加捻和共加捻的方式制備螺旋聚合物纖維。

1.2.1 鍍銀尼龍螺旋纖維的制備：將8 根鍍銀尼龍纖維平均分為4 份，每份為2 根鍍銀尼龍纖維，每份下端固定0.862 g 載荷，單位面積上的鍍銀尼龍單絲受應(yīng)力約14.7 MPa,將4 份鍍銀尼龍纖維上端固定于電動的轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子以80 r/min 的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動，約20 min后得到鍍銀尼龍螺旋纖維。隨后將得到的鍍銀尼龍螺旋纖維放入烘箱，80 ℃保溫1 h 退火。制備示意圖如Fig.1（a）所示。

1.2.2 復合尼龍螺旋纖維的制備：將4 根鍍銀尼龍纖維和4 根尼龍纖維平均分為4 份，每份為1 根鍍銀尼龍纖維和1 根尼龍纖維，每份下端固定0.862 g 載荷，單位面積上的尼龍單絲受應(yīng)力約15.5 MPa,將4份復合尼龍纖維上端固定于電動的轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子以80 r/min 的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動，約20 min 后得到復合尼龍螺旋纖維。隨后將得到的復合尼龍螺旋纖維放入烘箱，80 ℃保溫1 h 退火。制備示意圖如Fig.1（b）所示。

Fig.1 (a)Preparation process of coiled SPN fiber; (b)preparation process of coiled nylon@SPN fiber; (c) comparison of coiled SPN fiber and coiled nylon@SPN fiber

1.3 測試與表征

1.3.1 掃描電子顯微鏡（SEM）表征：由美國FEI 公司的Quanta250 型掃描電子顯微鏡測試。在待表征樣品表面進行噴金處理，測試電壓為20 kV，用來觀察聚合物纖維和聚合物螺旋纖維的表面形貌。

1.3.2 力學性能測試：由LLY-06B 型電子單纖維強力儀（萊州市電子儀器有限公司）測試聚合物纖維和聚合物螺旋纖維的拉伸性能，拉伸速率為2 mm/min。待測樣品通過環(huán)氧樹脂固定在標準測試框中，每種聚合物纖維和聚合物螺旋纖維至少測試5個樣品。

1.3.3 驅(qū)動測試：美國吉時利儀器公司的Keithley 2400 型數(shù)字源表為非接觸式位移傳感器提供15 V的使用電壓，美國歐米伽公司的LD701 型非接觸式位移傳感器用于采集聚合物螺旋纖維人工肌肉的驅(qū)動位移變化數(shù)據(jù)。美國吉時利儀器公司的Keithley2601B 型數(shù)字源表為聚合物螺旋纖維人工肌肉提供輸入電，通過編程輸入電的功率大小、周期和次數(shù)來控制驅(qū)動輸入的電功率大小、驅(qū)動周期和次數(shù)。

1.3.4 溫度測試：K 型熱電偶用于測量電熱驅(qū)動時聚合物螺旋纖維的溫度，溫度變化數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)采集模塊采集。

1.3.5 驅(qū)動性能測試[16]：通過式（1）、式（2）計算2 種聚合物螺旋纖維人工肌肉的驅(qū)動性能。

式中：w——能量密度，J/kg；G——驅(qū)動載荷重力,N；ΔL——聚合物螺旋纖維人工肌肉的收縮驅(qū)動量，m；m——聚合物螺旋纖維人工肌肉的質(zhì)，kg。

式中：P——功率密度，W/kg；w——能量密度，J/kg ；t——聚合物螺旋纖維人工肌肉的響應(yīng)時間,s。

2.結(jié)果與討論

2.1 聚合物螺旋纖維的結(jié)構(gòu)和力學性能

通過加捻制備聚合物螺旋纖維，聚合物纖維在機械加捻過程中受到扭轉(zhuǎn)力作用，這種扭轉(zhuǎn)力使得聚合物纖維扭曲，聚合物螺旋纖維的聚合物鏈向著扭曲方向取向。如Fig.2 所示，聚合物纖維通過加捻轉(zhuǎn)變?yōu)榫酆衔锫菪w維，其聚合物鏈的取向方向由沿軸向方向取向轉(zhuǎn)變?yōu)檠芈菪较蛉∠颉?/p>

Fig.2 SEM images of polymer fibers and coiled polymer fibers

聚合物纖維加捻成螺旋聚合物纖維后，聚合物鏈的取向方向從沿拉伸軸向取向變?yōu)檠芈菪较蛉∠?，這種現(xiàn)象使得聚合物螺旋纖維的聚合物鏈取向方向與拉伸方向產(chǎn)生夾角，從而降低了聚合物纖維在拉伸軸向方向上的力學性能貢獻，表現(xiàn)為聚合物螺旋纖維的拉伸強度下降。如Fig.3 所示，拉伸強度從聚合物纖維的497 MPa 降低到聚合物螺旋纖維的111 MPa，拉伸應(yīng)變從聚合物纖維的48%提高到聚合物螺旋纖維的180%。鍍銀尼龍纖維與尼龍纖維的材質(zhì)沒有根本區(qū)別，因而力學性能無明顯差異。

Fig.3 Stress-strain curves of polymer fibers and coiled polymer fibers

2.2 聚合物螺旋纖維人工肌肉的電熱驅(qū)動機理

由于尼龍纖維為高度取向的半結(jié)晶性聚合物纖維，鍍銀尼龍螺旋纖維和復合尼龍螺旋纖維在受熱時，結(jié)晶區(qū)的聚合物鏈受熱膨脹，非晶區(qū)的聚合物鏈由于熵彈性而發(fā)生熱收縮，這就導致了尼龍纖維軸向收縮和徑向膨脹的直徑變化。當聚合物螺旋纖維兩端被系緊時，聚合物纖維的直徑變化只會轉(zhuǎn)化為聚合物螺旋纖維的長度收縮。這種熱膨脹帶來的聚合物纖維直徑變化轉(zhuǎn)化為聚合物螺旋纖維人工肌肉的收縮驅(qū)動，并且?guī)缀温菪Y(jié)構(gòu)能夠放大這種熱收縮[10,17,18]。

2.3 聚合物螺旋纖維人工肌肉的電熱驅(qū)動

2.3.1 聚合物螺旋纖維人工肌肉的收縮驅(qū)動：通過編程輸入電來研究鍍銀尼龍螺旋纖維人工肌肉和復合尼龍螺旋纖維人工肌肉的收縮驅(qū)動，如Fig.4(a)所示，輸入電是矩形波，其周期為0.25 Hz、輸入電功率為0.08 W/cm、工作周期為50%。如Fig.4（b）和Fig.4（c）所示，在驅(qū)動負載為30 MPa 時，鍍銀尼龍螺旋纖維人工肌肉和復合尼龍螺旋纖維人工肌肉的驅(qū)動形變和溫度隨時間的變化規(guī)律與輸入電一致，沒有出現(xiàn)滯后現(xiàn)象。在相同的輸入電功率時，復合尼龍螺旋纖維人工肌肉的溫度更高、驅(qū)動形變更大，這是由于復合尼龍螺旋纖維人工肌肉的線性電阻（200/cm）比鍍銀尼龍螺旋纖維人工肌肉的線性電阻（50/cm）更大。鍍銀尼龍螺旋纖維人工肌肉產(chǎn)生的最高溫度為39.2 ℃、最大驅(qū)動形變?yōu)?.287%，復合尼龍螺旋纖維人工肌肉產(chǎn)生的最高溫度為45.7 ℃、最大驅(qū)動形變?yōu)?.46%。如Fig.4（d）和Fig.4（e）所示，在驅(qū)動負載為30 MPa 時，當輸入電功率從0 W/cm 逐漸提高0.08 W/cm，2 種螺旋纖維人工肌肉的驅(qū)動形變和溫度隨之提高。在輸入電功率提高到0.08 W/cm 時,2 種聚合物螺旋纖維人工肌肉達到最大的驅(qū)動形變和最高溫度，鍍銀尼龍螺旋纖維人工肌肉的最大驅(qū)動形變?yōu)?.287%、最高溫度為39.2 ℃，復合尼龍螺旋纖維人工肌肉的最大驅(qū)動形變?yōu)?.46%，最高溫度為45.7 ℃。

Fig.4 Joule-heat actuation of coiled polymer fiber based artificial muscle

如Fig.4（f）所示，隨驅(qū)動負載增加，2 種螺旋纖維人工肌肉的驅(qū)動應(yīng)變先增大后減小，這是由于在低驅(qū)動負載9 MPa 時，2 種聚合物螺旋纖維人工肌肉的負載后原長和螺距很小，驅(qū)動空間不足，鍍銀尼龍螺旋纖維人工肌肉表現(xiàn)出3.8%的驅(qū)動形變，復合尼龍螺旋纖維人工肌肉表現(xiàn)出4.85%的驅(qū)動形變。隨著驅(qū)動負載的提高，2 種聚合物螺旋纖維人工肌肉的負載后原長和螺距增大，有了充足的驅(qū)動空間。在驅(qū)動負載為15 MPa 時，2 種螺旋纖維人工肌肉表現(xiàn)出最大的驅(qū)動應(yīng)變，鍍銀尼龍螺旋纖維人工肌肉表現(xiàn)出6.34%的驅(qū)動形變，復合尼龍螺旋纖維人工肌肉表現(xiàn)出7.42%的驅(qū)動形變。驅(qū)動負載繼續(xù)增大，2 種聚合物螺旋纖維人工肌肉的負載后原長和螺距繼續(xù)增大，但是產(chǎn)生的驅(qū)動應(yīng)力不足，從而產(chǎn)生的驅(qū)動形變隨之減小。在45 MPa 的最大驅(qū)動負載下，鍍銀尼龍螺旋纖維人工肌肉表現(xiàn)出3.38%的驅(qū)動形變，復合尼龍螺旋纖維人工肌肉表現(xiàn)出4.4%的驅(qū)動形變。

2.3.2 聚合物螺旋纖維人工肌肉的響應(yīng)時間：如Fig.5（a）所示，隨著驅(qū)動負載的增加，鍍銀尼龍螺旋纖維人工肌肉的驅(qū)動完全形變時間和形變回復時間先延長后縮短，原因與前面驅(qū)動應(yīng)變的變化一樣。在低驅(qū)動負載9 MPa 時，鍍銀尼龍螺旋纖維人工肌肉的驅(qū)動應(yīng)變?yōu)?.8%，表現(xiàn)出876 ms 的完全形變時間和1242 ms 的形變回復時間。在驅(qū)動負載為15 MPa 時，鍍銀尼龍螺旋纖維人工肌肉的驅(qū)動應(yīng)變?yōu)?.34%，表現(xiàn)出966 ms 的完全形變時間和1108 ms的形變回復時間。在最大為45 MPa 的驅(qū)動負載下，鍍銀尼龍螺旋纖維人工肌肉的驅(qū)動應(yīng)變?yōu)?.38%，表現(xiàn)出756 ms 的完全形變時間和616 ms 的形變完全回復時間。

如Fig.5（b）所示,隨著驅(qū)動負載的增加，復合尼龍螺旋纖維人工肌肉的驅(qū)動完全形變時間和形變回復時間先延長后縮短，原因與前面驅(qū)動應(yīng)變的變化一樣。在低驅(qū)動負載9 MPa 時，復合尼龍螺旋纖維人工肌肉的驅(qū)動應(yīng)變?yōu)?.85%，表現(xiàn)出826 ms 的完全形變時間和1470 ms 的形變回復時間。在驅(qū)動負載為15 MPa 時，復合尼龍螺旋纖維人工肌肉的驅(qū)動應(yīng)變?yōu)?.42%，表現(xiàn)出878 ms 的完全形變時間和1382 ms 的形變回復時間。在最大為45 MPa 的驅(qū)動負載下，復合尼龍螺旋纖維人工肌肉的驅(qū)動應(yīng)變?yōu)?.4%，表現(xiàn)出716 ms 的完全形變時間和657 ms 的形變完全回復時間。

Fig.5 Joule-heat actuation response time of coiled polymer fiber based artificial muscle

如Fig.5（c）所示,在驅(qū)動負載為30 MPa 時，輸入電功率大小的改變對2 種聚合物螺旋纖維人工肌肉的驅(qū)動完全形變時間和形變回復時間沒有明顯影響。由于鍍銀尼龍螺旋纖維人工肌肉和復合尼龍螺旋纖維人工肌肉的主體材質(zhì)相同，這2 種聚合物螺旋纖維人工肌肉的驅(qū)動完全形變時間和形變回復時間相近。如Fig.5（d）所示,在輸入電功率為0.08 W/cm 時，2 種聚合物螺旋纖維人工肌肉的驅(qū)動完全形變時間和形變回復時間隨驅(qū)動負載的增加先延長后縮短。

2.3.3 聚合物螺旋纖維人工肌肉的驅(qū)動性能：如Fig.6（a）所示,在驅(qū)動負載為30 MPa 時，隨著輸入電功率從0 W/cm 逐漸提高0.08 W/cm，2 種螺旋纖維人工肌肉的能量密度隨之提高。在輸入電功率提高到0.08 W/cm 時,2 種聚合物螺旋纖維人工肌肉產(chǎn)生最大的能量密度，鍍銀尼龍螺旋纖維人工肌肉的最大能量密度為213 J/kg、復合尼龍螺旋纖維人工肌肉的最大能量密度為256 J/kg。如Fig.6（b）所示,在輸入電功率為0.08 W/cm 時，隨著驅(qū)動負載的增加，2 種聚合物螺旋纖維人工肌肉的能量密度增大。在45 MPa 的最大驅(qū)動負載時，2 種聚合物螺旋纖維的能量密度達到最大，鍍銀尼龍螺旋纖維人工肌肉的最大能量密度為382 J/kg、復合尼龍螺旋纖維人工肌肉的最大能量密度為428 J/kg。

如Fig.6（c）所示,在驅(qū)動負載為30 MPa 時，隨著輸入電功率從0 W/cm 逐漸提高0.08 W/cm，2 種螺旋纖維人工肌肉的功率密度隨之提高。在輸入電功率提高到0.08 W/cm 時,2 種聚合物螺旋纖維人工肌肉產(chǎn)生最大的功率密度，鍍銀尼龍螺旋纖維人工肌肉的最大功率密度為260 W/kg、復合尼龍螺旋纖維人工肌肉的最大能量密度為314 W/kg。如Fig.6（d）所示,在輸入電功率為0.08 W/cm 時，隨著驅(qū)動負載的增加，2 種螺旋纖維人工肌肉的功率密度增大。在45 MPa 的最大驅(qū)動負載時，2 種聚合物螺旋纖維的功率密度達到最大，鍍銀尼龍螺旋纖維人工肌肉的最大功率密度為486 W/kg、復合尼龍螺旋纖維人工肌肉的最大功率密度為531 W/kg。

Fig.6 Joule-heat actuation performance of coiled polymer fiber based artificial muscle

2.3.4 聚合物螺旋纖維人工肌肉的驅(qū)動穩(wěn)定性：鍍銀尼龍螺旋纖維人工肌肉和復合尼龍螺旋纖維人工肌肉的驅(qū)動穩(wěn)定性如Fig.7 所示。在Fig.7 中，輸入電頻率為0.25 Hz、輸入電功率為0.08 W/cm、驅(qū)動負載為30 MPa，鍍銀尼龍螺旋纖維人工肌肉和復合尼龍螺旋纖維人工肌肉均能循環(huán)驅(qū)動超過1 萬次。復合尼龍螺旋纖維人工肌肉因為更高的驅(qū)動溫度而具有6.2%的平均驅(qū)動應(yīng)變，這高于鍍銀尼龍螺旋纖維人工肌肉5.1%的平均驅(qū)動應(yīng)變。

Fig.7 Tensile actuation versus cycle for coiled SPN fiber and coiled nylon@SPN fiber at 0.25 Hz under a load of 30 MPa (each point averages 60 cycles)

3 結(jié)論

采用加捻法制備了鍍銀尼龍螺旋纖維以及共加捻法制備了復合尼龍螺旋纖維，研究了它們的力學性能、微觀形貌，以及人工肌肉的驅(qū)動性能及影響因素。得到了以下結(jié)果：

（1）通過加捻法將聚合物纖維制備為聚合物螺旋纖維，由于纖維取向方向的改變降低了對拉伸強度的貢獻，因而聚合物螺旋纖維的拉伸強度降低，但拉伸應(yīng)變大大提高。拉伸強度從聚合物纖維的497 MPa 降低到聚合物螺旋纖維的111 MPa，拉伸應(yīng)變從聚合物纖維的48%提高到聚合物螺旋纖維的180%。

（2）在相同的輸入電功率時，由于復合尼龍螺旋纖維人工肌肉的線性電阻更大,復合尼龍螺旋纖維人工肌肉的溫度升高量比鍍銀尼龍纖維螺旋人工肌肉更大，從而表現(xiàn)出更大的驅(qū)動應(yīng)變、能量密度和功率密度。研究表明，本文制備的復合尼龍螺旋纖維人工肌肉在不改變材質(zhì)的情況下提高了驅(qū)動性能，為研發(fā)復合結(jié)構(gòu)的高性能聚合物螺旋纖維人工肌肉提供了思路。