基于碳纳米管多层次组装的高性能人工肌肉

Artificial muscles has exhibited great application potentials in the fields of robots, micro-aircrafts, medical assistance and military, which represents one of the mostly explored smart materials. Although the artificial muscles have been widely explored in recent years, their practical applications remain challenging due to some disadvantages including slow responsiveness, low stress generation, poor actuating stability and controllability. To this end, it is critical to enhance the actuating performance by developing new materials and designing novel structures. In this project, by using a hierarchical assembly strategy, the aligned carbon nanotube is selected as building block to assemble into a series of high-performance artificial muscles with powerful actuation output. The relationship between hierarchically helical structures and actuation performances will be systematically studied to reveal the underlying actuation mechanisms. Moreover, the high-performance artificial muscles will be used to fabricate a series of biomimetic actuating devices to expand their practical applications in the fields such as robot, micro-aircrafts and exoskeleton.

人工肌肉材料在机器人、微型飞行器、医疗辅助和国防军事等方面具有广阔的应用前景，已成为智能材料领域重要的研究热点。虽然人们对人工肌肉材料已经进行了大量的研究，但较慢的响应速度、较弱的应力响应、较低的稳定性和可控性等缺陷严重制约了它们的应用。发展新材料和设计新结构被认为是提高其响应性能的重要途径。本项目拟通过多层次多尺组装策略，以取向碳纳米管这一新型纳米材料为基本构筑单元，发展一类具有优异驱动响应性能的新型人工肌肉材料，克服传统人工肌肉材料的性能缺陷，重点研究多层次组装结构与驱动响应性能结构的新型构效关系，揭示新的响应机制。进一步，将该类人工肌肉材料用于仿生驱动器件的构建，重点探索在机器人、微型飞行器和外骨骼等领域中的应用。

本项目利用化学气相沉积法和浮动化学气相沉积法，通过改变碳源和催化剂组分，结合掺杂、复合等手段，连续制备取向碳纳米管薄膜和纤维。再经加捻、溶剂收缩、电沉积等后处理工艺，获得高性能的取向碳纳米管纤维及其复合材料，同时实现了良好的柔性、高强度和高电导率。通过多重加捻，可以制备得到一系列具有不同力电学性能的多级螺旋碳纳米管纤维。无需引入功能性客体材料，通电时多级螺旋碳纳米管纤维可同时产生优异的收缩和旋转驱动响应。在较低的驱动电压下，纤维所产生的收缩强度即可达到骨骼肌的300倍以上，以及高的旋转输出（135转/米）和快速的响应速度（~60毫秒）。上述电致驱动还表现了良好的稳定性、耐久性和可控性。进一步对其电致驱动机制进行了系统的理论模拟，发现安培定律和杠杆原理的协同作用是实现优异电致驱动行为的关键。基于该类新型碳纳米管纤维材料和组装方法，构建出具有驱动、能源供给、传感、显示等功能的纤维电子器件和智能织物系统，在柔性机器人、人机交互、柔性电子等领域显示广泛应用前景。. 在本项目资助下，项目负责人以第一和通讯作者（含共同）在发表论文6篇，包括2篇Nature、1篇Adv. Mater.、1篇J. Mater. Chem. A。申请中国发明专利4项。入选上海市“青年科技启明星”人才计划，获得2019 年国家自然科学二等奖（第5完成人）、上海科技青年35人引领计划提名奖等学术荣誉。项目执行期间，项目负责人联合指导毕业博士生3名，硕士生4名。