双响应纱线基人工肌肉用于自适应热管理

《Advanced Science》：Dual-Responsive Yarn-Based Artificial Muscles for Adaptive Thermal Management

本综述创新性地提出了一种耦合湿气驱动与电热恢复的混合纱线基人工肌肉（HYAM），通过仿生骨骼肌意识运动机制解决了传统湿度响应肌肉（MYAM）存在驱动缓慢、恢复不可控的核心难题。研究表明，HYAM相较于纯纱线肌肉驱动行程提升128%，驱动速度提升136%，电热恢复技术将恢复时间和全周期时间分别缩短91%和83%。其驱动的双模式辐射织物（DRF）可实现制冷（高太阳反射率与中红外发射率）与制热（高太阳吸收率与低中红外发射率）模式的自主切换，为智能可穿戴设备与建筑节能提供了突破性解决方案。

　　

引言

面对全球极端天气与气候变化，开发能够通过结构变化实现热调节的自适应纺织品至关重要。湿度响应纱线基人工肌肉（MYAM）虽具备与纺织品的天然兼容性，却受限于缓慢不可控的驱动性能。受骨骼肌意识运动机制启发，本研究开发出耦合湿气驱动与电热恢复的混合纱线基人工肌肉（HYAM），通过仿生设计实现驱动性能与恢复效率的协同提升。

纱线基人工肌肉的制备与扭转驱动性能

以高保水值粘胶纤维为芯材，通过凝胶态单层Ti₃C₂T_xMXene（100 mg/ml）涂覆构建导电网络，经Z向加捻与S向合股形成HYAM。MXene鞘层不仅增强亲水性，还赋予电热响应能力。当吸附水分子时，纤维体积膨胀导致单纤维解捻，合股结构产生反向扭转驱动。与纯纱线肌肉（PYAM）和半混合肌肉（SHYAM）相比，HYAM（3000 tpm捻度）最大旋转行程达1163°/cm，提升51%-128%；驱动峰值转速达314 r.p.m.，机械强度提升35%。研究表明，驱动性能与捻度呈正线性关系，6000 tpm HYAM行程可达2394°/cm。

电热加速恢复的双响应驱动机制

通过银镀尼龙导线施加电压，MXene导电网络产生焦耳热（15 V时40秒内升温至39°C），加速水分脱附并触发扭转恢复。电热恢复将自然干燥的120秒周期缩短至20秒，全周期时间减少83%。经过50次湿-热循环，HYAM驱动行程稳定性偏差小于10%，但MXene涂层的部分脱落导致恢复速度从568 r.p.m.降至260 r.p.m.。500次循环测试证实其在动态湿度环境中仍保持结构完整性与驱动稳定性。

理论与仿真验证驱动机理

通过几何模型与有限元分析（FEA）揭示纤维体积变化与螺旋角（α_f）的关联性。理论公式ΔT/T₀= ΔD/D₀表明，纤维直径变化（ΔD）直接驱动纱线捻度变化（ΔT）。仿真结果证实湿气吸附引发纤维横向膨胀与纵向收缩，进而通过合股结构转化为宏观扭转运动，验证了湿度-机械能转换的高效性。

自适应辐射调控应用

基于"纺锤驱动门控"理念，HYAM驱动双模式辐射织物（DRF）实现热管理功能：制冷层（白色棉布+PDMS/TiO₂）具备91%太阳反射率与89%中红外发射率；制热层（黑色棉布+MXene）实现72%太阳吸收率与31%中红外发射率。实地测试（香港，2024年10月）显示，DRF在制冷模式下较白色对照织物降低室内温度3.4°C，净制冷功率达107.3 W/m²；制热模式可通过湿度升高或电刺激自主切换。基于人体汗区图谱的智能服装演示中，2.39 mg HYAM成功驱动超自身重量25倍的DRF（60.5 mg），表面温度始终低于皮肤灼伤阈值（44°C），证实其穿戴安全性。

结论与展望

HYAM通过仿生设计实现了驱动速度、行程与恢复效率的突破，为智能纺织品、建筑节能及软体机器人提供了创新解决方案。未来研究将聚焦于复杂环境下的长期稳定性优化与规模化制备工艺开发，推动人工肌肉在自适应热管理领域的广泛应用。