通常，通过引入大量的纱线纤维捻度使纤维完全卷曲，可以显著增强驱动力。相反，我们发现，对于由沿纤维方向堆叠的 MXene 纳米片组成的非扭曲 MXene (Ti3C2Tx) 纤维，可以获得有用的高肌肉冲程和收缩工作能力。MXene 纤维人造肌肉称为 MFAM。我们通过旋转分散在纤维素水溶液中的 MXene 纳米片溶液，获得了在径向和轴向上均具有高模量的 MFAM。我们观察到，当温度从 25° 升至 125°C 时，肌肉收缩率高达 21.0%。MFAM 的拉伸驱动主要来自加热过程中可逆氢键取向的变化，从而减小了片内间距。MFAM 对多种产生温度的刺激表现出快速、稳定的驱动力，这增加了它们在智能纺织品、机械臂和机器人夹持器中的应用。
图 1. MFAM 的制造和特性。(A) MFAM 制造示意图。在显著的拉伸应力下，混合 MXene/CNFs 纳米片与 MFAM 纤维垂直排列。(B) 缠绕在卷轴上的一百米长的 MFAM 的照片。(C) MFAM 表面的 SEM 图像。(D) MFAM 纵向剖面的 HR-TEM 图像。(E) MFAM 在加热和冷却下的可逆收缩驱动的数码照片和红外热图像。(F) 拉伸行程和工作能力与施加在 MFAM 上的拉伸应力的关系。比例尺，1 厘米 (B)、100 微米 (顶部) 和 1 微米 (底部) (C)、50 纳米 (左) 和 10 纳米 (右) (D) 和 5 毫米 (E)。
图 2. MFAM 的原位温度相关表征和 MD 模拟。(A) MFAM 在不同温度下的 Herman 取向因子和泊松比。 (B) 根据原位 X 射线图案，MFAM 的 d 间距和计算出的孔隙率随着温度从 25° 升高到 125°C 而减小。 (C) MFAM 在从 25° 加热到 125°C 时的原位 FTIR 光谱。 (D) 不同温度下混合 MXene/CNFs 纳米片界面处水分子的数值密度模拟结果。 (E) 混合 MXene/CNFs 纳米片在从 25° 加热到 125°C 时界面处氢键网络中水分子平行分布程度的模拟结果。 (F) MFAM 热驱动收缩驱动机制示意图。纳米受限氢键网络的取向重排导致片内间距减小，从而导致混合 MXene/CNFs 纳米片变平。随着温度升高，这种拉链效应会减少空隙体积，导致 MFAM 的拉伸收缩较大。
图3. MFAM 的机械和驱动性能。(A) MFAM 在不同温度下的典型应力-应变曲线。 (B) MFAM 在不同温度下的拉伸强度和杨氏模量。 (C) MFAM 和已报道的聚合物纤维肌肉（包括 LCE 纤维、聚环氧乙烷 (PEO) 纤维、蛋白质纤维、聚乙烯醇 (PVA) 纤维和天然纤维）的拉伸强度与杨氏模量的比较。 (D) MFAM 产生的温度和收缩驱动应力与施加的 0.05 Hz 方波直流电压的关系。 (E) 当以 0.02 至 5 Hz 的频率施加 4 V cm−1 方波直流电压时，MFAM 的收缩驱动应力与时间曲线。 (F) 施加不同频率的 4 V cm−1 方波直流电压时，MFAM 在 0.64 MPa 负载下的拉伸行程和工作能力。插图是当施加的直流电压从 0 增加到 4 V cm−1 时拉伸收缩的光学照片。(G) 施加 4 V cm−1 的 1 Hz 方波直流电压时，MFAM 的收缩驱动应力与循环数的关系。(H) 使用 808 nm NIR 激光向光纤表面传送 4.59 W cm−1 的功率密度，在驱动之前和光热驱动之后，MFAM 的光学照片 (左) 和红外热像 (右)。(I) 使用不同功率强度的 NIR 激光照射 MFAM 时产生的温度和收缩驱动应力。 (J) MFAM 和已报道的非扭曲热驱动纤维肌肉（包括 GO 纤维、LCE 纤维、SMP 纤维、CNTC 纤维和天然肌肉）的工作能力与最大冲程的比较。比例尺，5 毫米 (F)、5 毫米 (H)。
图 4. MFAM 收缩驱动演示。(A) 用 MFAM 编织的纺织品示意图，用于提供热生可编程形状变形。(B) 纺织品在 25° 和 50°C 下热驱动的红外热图像。(C) 由四个平行 MFAM 驱动的举重假肢的示意图和光学照片，这些假肢由 NIR 激光加热。当 MFAM 暴露在 808 nm NIR 激光下时，它们会像手臂的二头肌一样收缩。(D) 显示在 200 次重复的 NIR 激光驱动循环中肘部弯曲的角度的图。(E) 八个平行 MFAM 组合在一起并应用于机器人夹持器，用于抓取、转移、传送和回收玩具球。比例尺，1 厘米 (B)、5 毫米 (C) 和 5 毫米 (E)。
相关科研成果由北京航空航天大学Qunfeng Cheng, 德克萨斯大学Ray H. Baughman等人于2025年发表在Science Advances上。原文：Large stroke radially oriented MXene composite fiber tensile artificial muscles
原文链接：https://doi.org/10.1126/sciadv.adt1560
转自《石墨烯研究》公众号
