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  人工肌肉（AM）是指在外界刺激（如溫度、濕度、電刺激及光照等）下產(chǎn)生可逆收縮、伸長(zhǎng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的智能驅(qū)動(dòng)材料，基于聚合物纖維（如尼龍6、尼龍66、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯、氨綸等）制備的人工肌肉，由于其質(zhì)量輕、致動(dòng)效率高及可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等特性，可應(yīng)用于仿生驅(qū)動(dòng)、扭熱制冷及能量收集等領(lǐng)域，其中，尼龍6釣魚線人工肌肉具有較為優(yōu)異的致動(dòng)性能。聚甲醛（POM）是一種高密度、高結(jié)晶的線型熱塑性工程塑料，綜合性能優(yōu)異，POM纖維具有高強(qiáng)高模、耐摩擦磨損性優(yōu)良等特性，相較于尼龍纖維，其吸水率極低，僅為0.2%，而尼龍纖維高達(dá)2%，同時(shí)其耐化學(xué)腐蝕性優(yōu)異，性價(jià)比高，有望賦予人工肌肉更加穩(wěn)定的致動(dòng)性能；然而，POM結(jié)晶能力強(qiáng)，結(jié)晶度高，其纖維結(jié)晶度可達(dá)85%，非晶區(qū)含量少，導(dǎo)致其分子鏈在外界刺激下的構(gòu)象熵變化較小，無(wú)法達(dá)到理想的致動(dòng)效果，目前基于POM纖維人工肌肉的相關(guān)研究鮮有報(bào)道。

  近期，四川大學(xué)高分子研究所、先進(jìn)高分子材料全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室葉林教授團(tuán)隊(duì)在POM纖維取向結(jié)晶結(jié)構(gòu)調(diào)控及其人工肌肉構(gòu)筑等研究方面取得重要進(jìn)展。引入與POM相容性良好的熱塑性聚氨酯彈性體（TPU），采用熔融紡絲-熱拉伸/熱定型工藝制備POM/TPU共混纖維，實(shí)現(xiàn)POM纖維取向因子（f_c：0.37-0.83；f_a：0.58-0.88）及非晶區(qū)含量（17.3%-62.3%）的大范圍調(diào)控；在此基礎(chǔ)上，采用加捻卷繞方式制備了POM纖維基中空芯軸型人工肌肉。隨纖維拉伸倍率和TPU含量增加，纖維取向因子和非晶區(qū)含量的提升有助于大量沿軸向排列的非晶區(qū)分子鏈在熱刺激下的構(gòu)象熵大幅增加，顯著增強(qiáng)了其人工肌肉的致動(dòng)性能；加捻時(shí)間、芯棒直徑及纖維并股數(shù)等結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)人工肌肉的致動(dòng)行為也表現(xiàn)出不同程度的影響，其中，對(duì)于8股POM/20T-600%f纖維束并股后加捻6 min 30 s、采用直徑為1.0 mm芯棒卷繞制備的人工肌肉，在14 V致動(dòng)電壓及200負(fù)載自重比下，其最大收縮應(yīng)變和單位質(zhì)量的做功能力為40.23 %和34.69 J·kg^-1，分別達(dá)典型哺乳動(dòng)物骨骼肌的201 %和434 %。

圖1 TPU的引入實(shí)現(xiàn)POM纖維取向結(jié)晶結(jié)構(gòu)的調(diào)控

圖2 TPU含量對(duì)POM纖維基人工肌肉致動(dòng)行為的影響

  研究了POM纖維基人工肌肉的穩(wěn)定致動(dòng)行為及機(jī)制，POM及POM/TPU纖維的取向結(jié)晶結(jié)構(gòu)在室溫（1st 25°C）、升溫至致動(dòng)溫度（2nd 125°C）以及降溫至室溫（3rd 25°C）的致動(dòng)過(guò)程中表現(xiàn)出較好的穩(wěn)定性，可作為物理交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)防止非晶區(qū)分子鏈的解纏與滑移，致使其人工肌肉經(jīng)1000次致動(dòng)循環(huán)周期后的收縮應(yīng)變保留率高達(dá)95.57%及96.32%，具優(yōu)異的循環(huán)致動(dòng)穩(wěn)定性；同時(shí)在1 mol·L^-1 NaOH溶液耐堿性試驗(yàn)中，POM纖維基人工肌肉的最大收縮應(yīng)變保持率達(dá)94.11%，遠(yuǎn)高于基于商用尼龍66縫紉線的人工肌肉（53.56%），作為先進(jìn)柔性驅(qū)動(dòng)材料展現(xiàn)出在智能可穿戴設(shè)備、工業(yè)機(jī)器人和深�？碧降阮I(lǐng)域的應(yīng)用潛力。

圖3 POM纖維基人工肌肉的穩(wěn)定致動(dòng)機(jī)制

圖4 POM纖維基人工肌肉優(yōu)異的耐堿穩(wěn)定性

  該工作以“A Novel Polyoxymethylene Fiber-Based Artificial Muscle Enabled Stable Actuating Behavior”為題發(fā)表于Small，四川大學(xué)高分子研究所博士研究生孔維堯為論文第一作者，葉林教授為通訊作者。

  文章信息：Weiyao Kong, Xiaowen Zhao, Lin Ye*, A Novel Polyoxymethylene Fiber-Based Artificial Muscle Enabled Stable Actuating Behavior, Small, 2025, 2502065.

  https://doi.org/10.1002/smll.202502065