《International Journal of Biological Macromolecules》：Muscle-inspired coaxial helical architecture in carboxymethyl cellulose/MXene fibers: Synergistic enhancement for flexible actuation
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基于羧甲基纤维素和二维MXene的协同光纤执行器通过湿法纺丝与离子交联技术制备，实现了光热与湿度双刺激响应，兼具高负载能力、柔韧性和快速响应特性，成功应用于智能 lifting net 和可调速旋转门系统。
周兰|秦子怡|张跃如|吴友|马明宇|黄英仕|王宝秀|徐晨雪|蒋振林
上海工程技术大学化学与化学工程学院，先进微纳制造材料研究中心，中国上海201620
摘要
柔性执行器能够对外部刺激做出旋转和弯曲等复杂运动响应，在智能传感、机器人技术和仿生系统中具有广泛应用。基于纤维结构的执行器因其独特的可扭转和可编织特性，已成为仿生肌肉研究的关键领域。然而，现有技术仍难以同时实现高负载能力、高韧性和对多种刺激的快速响应这三个关键性能指标。本研究受到生物肌肉同轴结构的启发，利用湿法纺丝技术成功制备了基于羧甲基纤维素（CMC）和二维过渡金属硫属化合物（MXene）的共轴纤维执行器。通过界面相互作用，这两种材料形成了稳定的协同共轴结构，使其能够对光和湿度两种刺激同时作出响应。性能测试表明：在近红外光刺激下，该执行器的旋转速度可达643转/分钟，并能稳定运行236圈；在湿度刺激下，最大驱动速度为632.1转/分钟，恢复速度为1013.4转/分钟。基于这些优异性能，研究开发了多种实际应用方案，包括智能升降装置、旋转风扇以及可调节速度的旋转门。
引言
随着仿生科学和智能材料的进步，能够对光学[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]、热[4]、[7]、[8]、[9]、[10]、湿度[4]、[11]、[12]、[13]、[14]、电[9]、[10]、[15]、[16]、[17]、[18]、[19]、磁[20]、[21]、[22]、[23]和化学[24]刺激作出响应的执行器引起了广泛关注。其中，模仿生物肌肉形态和功能的纤维基执行器因轻便、柔韧和灵巧性[26]、[27]、[28]、[29]、[30]、[31]、[32]而受到特别关注。然而，大多数现有的纤维基执行器仅对单一刺激有响应，这大大限制了它们在多刺激并存的实际环境中的适应性。一些高性能的单刺激执行器的例子包括：一种光响应纤维，能够举起自重650倍的物体，驱动应变超过1000%，同时保持与生物肌肉相当的柔韧性[33]；贾等人开发的湿度驱动的螺旋双螺旋丝基执行器，其扭转速度可达547°/毫米[34]；李等人设计的磁响应弹性纤维机器人，在单向磁场下可产生超过600%的应变[35]；瓦辛·高塔姆等人开发的滑动驱动仿生触觉传感器（BTS），结合了摩擦电和电容传感机制，响应时间为34毫秒，电流密度为1.72毫安/平方米，用于检测滑动和监测抓握[36]；以及董立忠等人制备的弹性人工肌肉纤维，其收缩行程为54%，工作容量为590千焦/立方米，功率密度约为80瓦/千克[37]，在多个关键性能指标上超越了天然肌肉。尽管这些系统对单一刺激有优异的响应能力，但它们仍不适用于需要多刺激协同作用的场景。
为了在多样化的环境中有效运作，多刺激响应执行器必须具备合理的结构设计、刺激选择性、材料兼容性和驱动稳定性[38]、[39]、[40]、[41]、[42]、[43]。目前的方法通常依赖于将多种功能材料混合到纤维结构中。例如，钱倩倩等人[44]构建了一种核壳水凝胶纤维执行器，其中SA/PEGDA壳层能够快速响应湿度变化（39圈内），而SA/GO核层提供高拉伸强度（125兆帕）和高效的光热响应（20秒内升温至40℃）。徐晨雪等人[45]通过在SA/GO基底上原位聚合聚吡咯（PPy）开发了一种自感应螺旋纤维执行器，实现红外和湿度的同时响应。吴丁升等人[46]制备了一种光热驱动的液晶弹性体（LCE）纱线执行器，掺杂了金纳米棒（AuNRs），表现出显著的光热收缩效应、快速响应和高稳定性。然而，功能材料的直接混合往往会影响机械完整性并引入刺激干扰，从而阻碍协同驱动性能。
为了解决当前基于碳水化合物的执行器在多刺激响应应用中面临的功能耦合、机械限制和控制精度不足的问题，本研究成功开发了一种基于羧甲基纤维素（CMC）的仿生共轴螺旋纤维执行器，实现了对湿度和近红外光的同步响应。通过平行扭转工艺，CMC和MXene在空间上有序排列并功能集成。由于CMC含有丰富的羧基和羟基，使其作为核心内层材料时具有优异的亲水性和可控的膨胀性能。这些特性使纤维能够根据环境湿度的变化发生可逆的膨胀和收缩，直接将体积变化转化为驱动应变。作为外层功能单元的MXene具有高效的光热转换能力，并调节CMC层的水合状态，从而实现可控的光驱动。本研究采用了一步湿法纺丝工艺结合同步离子交联技术来制备共轴纤维，促进了CMC分子链在内外层之间的渗透和缠结，形成了连续的凝胶网络，而不仅仅是简单的物理粘附界面。这种有机-无机杂化结构通过CMC和MXene之间的界面相互作用形成，显著提升了纤维的机械性能，并有效抑制了交叉刺激干扰。形态表征和性能测试证实了该执行器的快速、可控响应特性。这种纤维组装的仿生执行器进一步验证了CMC在多刺激响应复合系统中的关键作用和应用潜力，为开发下一代可持续、自适应的软体机器人系统提供了创新的复合解决方案（图1）。
实验材料
实验材料
羧甲基纤维素钠：分析纯度，分子量250,000，分散度1.2，粘度400–800毫帕·秒，上海泰坦科技有限公司；六水合氯化铁：分析纯度，上海泰坦科技有限公司；二维过渡金属碳（氮）化合物：粒径0.2–5纳米，纯度99.9%，苏州恒秋科技有限公司。
羧甲基纤维素钠纺丝液的制备
将羧甲基纤维素钠粉末称重后放入含有适量去离子水的烧杯中。
形态和结构表征
使用场发射扫描电子显微镜（SU8010）观察CMC/MXene-CMC共轴螺旋纤维的表面和截面形态。通过液氮脆性断裂处理制备截面纤维样品，随后使用导电粘合剂将表面和截面纤维样品固定在电子显微镜载物台上，喷涂金颗粒后进行观察。
CMC/MXene-CMC共轴螺旋纤维的应用
该共轴纤维对光和湿度表现出优异的协同响应，并具有出色的编织性能。因此，将这些纤维编织成多股绳索，制成智能升降网（图6a和S2）。通过调节光照强度和湿度，可以远程控制负载的升降。如图6b所示，在湿度（95%相对湿度）和近红外光的交替刺激下，该智能升降网能够稳定地举起1克的负载。
结论
本研究受到生物肌肉多组分共轴结构的启发，结合共轴水纺和扭转技术成功制备了CMC/MXene-CMC共轴螺旋纤维执行器。MXene作为光热功能组分被嵌入纤维的外层，使纤维对近红外光和湿度刺激均具有响应能力。当暴露在近红外光下时，MXene的光热效应会触发...
作者贡献声明
周兰：撰写——原始稿件，可视化处理，数据分析。秦子怡：可视化处理，数据分析。张跃如：可视化处理，数据分析。吴友：可视化处理，数据分析。马明宇：可视化处理，数据分析。黄英仕：可视化处理，数据分析。王宝秀：可视化处理，数据分析。徐晨雪：可视化处理，数据分析。蒋振林：撰写——审稿与编辑，项目监督，概念构思。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了上海市青年科技之星项目（19YF1417800）、湖南省自然科学基金（2024JJ7068）、江苏省精密与微制造技术重点实验室开放项目资助、国家硅及先进半导体材料重点实验室开放项目资助（SKL2023-06）、国家高性能工具重点实验室开放项目资助（GXNGJSKL-2024-02）等机构的财政支持。
