通常，通過引入大量的紗線纖維捻度使纖維完全卷曲，可以顯著增強驅動力。相反，我們發現，對于由沿纖維方向堆疊的 MXene 納米片組成的非扭曲 MXene (Ti3C2Tx) 纖維，可以獲得有用的高肌肉沖程和收縮工作能力。MXene 纖維人造肌肉稱為 MFAM。我們通過旋轉分散在纖維素水溶液中的 MXene 納米片溶液，獲得了在徑向和軸向上均具有高模量的 MFAM。我們觀察到，當溫度從 25° 升至 125°C 時，肌肉收縮率高達 21.0%。MFAM 的拉伸驅動主要來自加熱過程中可逆氫鍵取向的變化，從而減小了片內間距。MFAM 對多種產生溫度的刺激表現出快速、穩定的驅動力，這增加了它們在智能紡織品、機械臂和機器人夾持器中的應用。
圖 1. MFAM 的制造和特性。(A) MFAM 制造示意圖。在顯著的拉伸應力下，混合 MXene/CNFs 納米片與 MFAM 纖維垂直排列。(B) 纏繞在卷軸上的一百米長的 MFAM 的照片。(C) MFAM 表面的 SEM 圖像。(D) MFAM 縱向剖面的 HR-TEM 圖像。(E) MFAM 在加熱和冷卻下的可逆收縮驅動的數碼照片和紅外熱圖像。(F) 拉伸行程和工作能力與施加在 MFAM 上的拉伸應力的關系。比例尺，1 厘米 (B)、100 微米 (頂部) 和 1 微米 (底部) (C)、50 納米 (左) 和 10 納米 (右) (D) 和 5 毫米 (E)。
圖 2. MFAM 的原位溫度相關表征和 MD 模擬。(A) MFAM 在不同溫度下的 Herman 取向因子和泊松比。 (B) 根據原位 X 射線圖案，MFAM 的 d 間距和計算出的孔隙率隨著溫度從 25° 升高到 125°C 而減小。 (C) MFAM 在從 25° 加熱到 125°C 時的原位 FTIR 光譜。 (D) 不同溫度下混合 MXene/CNFs 納米片界面處水分子的數值密度模擬結果。 (E) 混合 MXene/CNFs 納米片在從 25° 加熱到 125°C 時界面處氫鍵網絡中水分子平行分布程度的模擬結果。 (F) MFAM 熱驅動收縮驅動機制示意圖。納米受限氫鍵網絡的取向重排導致片內間距減小，從而導致混合 MXene/CNFs 納米片變平。隨著溫度升高，這種拉鏈效應會減少空隙體積，導致 MFAM 的拉伸收縮較大。
圖3. MFAM 的機械和驅動性能。(A) MFAM 在不同溫度下的典型應力-應變曲線。 (B) MFAM 在不同溫度下的拉伸強度和楊氏模量。 (C) MFAM 和已報道的聚合物纖維肌肉（包括 LCE 纖維、聚環氧乙烷 (PEO) 纖維、蛋白質纖維、聚乙烯醇 (PVA) 纖維和天然纖維）的拉伸強度與楊氏模量的比較。 (D) MFAM 產生的溫度和收縮驅動應力與施加的 0.05 Hz 方波直流電壓的關系。 (E) 當以 0.02 至 5 Hz 的頻率施加 4 V cm−1 方波直流電壓時，MFAM 的收縮驅動應力與時間曲線。 (F) 施加不同頻率的 4 V cm−1 方波直流電壓時，MFAM 在 0.64 MPa 負載下的拉伸行程和工作能力。插圖是當施加的直流電壓從 0 增加到 4 V cm−1 時拉伸收縮的光學照片。(G) 施加 4 V cm−1 的 1 Hz 方波直流電壓時，MFAM 的收縮驅動應力與循環數的關系。(H) 使用 808 nm NIR 激光向光纖表面傳送 4.59 W cm−1 的功率密度，在驅動之前和光熱驅動之后，MFAM 的光學照片 (左) 和紅外熱像 (右)。(I) 使用不同功率強度的 NIR 激光照射 MFAM 時產生的溫度和收縮驅動應力。 (J) MFAM 和已報道的非扭曲熱驅動纖維肌肉（包括 GO 纖維、LCE 纖維、SMP 纖維、CNTC 纖維和天然肌肉）的工作能力與最大沖程的比較。比例尺，5 毫米 (F)、5 毫米 (H)。
圖 4. MFAM 收縮驅動演示。(A) 用 MFAM 編織的紡織品示意圖，用于提供熱生可編程形狀變形。(B) 紡織品在 25° 和 50°C 下熱驅動的紅外熱圖像。(C) 由四個平行 MFAM 驅動的舉重假肢的示意圖和光學照片，這些假肢由 NIR 激光加熱。當 MFAM 暴露在 808 nm NIR 激光下時，它們會像手臂的二頭肌一樣收縮。(D) 顯示在 200 次重復的 NIR 激光驅動循環中肘部彎曲的角度的圖。(E) 八個平行 MFAM 組合在一起并應用于機器人夾持器，用于抓取、轉移、傳送和回收玩具球。比例尺，1 厘米 (B)、5 毫米 (C) 和 5 毫米 (E)。
相關科研成果由北京航空航天大學Qunfeng Cheng, 德克薩斯大學Ray H. Baughman等人于2025年發表在Science Advances上。原文：Large stroke radially oriented MXene composite fiber tensile artificial muscles
原文鏈接：https://doi.org/10.1126/sciadv.adt1560
轉自《石墨烯研究》公眾號
