受蜘蛛启发的螺旋结构工程纤维基人工肌肉：兼具联动驱动与自感知功能

《Advanced Fiber Materials》：Spider-Inspired Helically Engineered Fiber-Based Artificial Muscle with Coupled Actuation and Self-sensing Capabilities

碳纳米管/液态晶体弹性体人工肌肉通过整合螺旋裂纹传感器与变形机制，实现110%变形幅度和0.99线性响应，碳纳米管涂层优化热分布使收缩行程提升19.2%且时间缩短8秒，具备多模态机械感知和电路保护功能。

　　

摘要

目前，开发同时具备高灵敏度、高线性和自感知能力的人工肌肉仍然是一个重大挑战。受到蜘蛛 slit 器官的启发，研究人员开发出一种新型的碳纳米管/液晶弹性体（CNTs/LCE）人工肌肉。该结构集成了基于裂纹的传感单元、螺旋变形机制和自感知功能。所构建的模块化架构中包含一个螺旋裂纹传感器，在实现大变形范围的同时保持了高灵敏度。在这种配置下，螺旋结构实现了“一石二鸟”的效果：它既作为传感器显著提升了材料的应变能力，同时又充当了扭曲的螺旋形人工肌肉。此外，引入的裂纹结构显著提高了传感灵敏度。当与增强可变形性的多孔结构结合，并利用螺旋几何形状进一步放大变形幅度（最高可达 110%）和提高响应线性（R2 = 0.99）时，整体性能得到了显著提升。基于这种新型架构，研究人员建立了相应的理论模型，并使用 COMSOL 进行了有限元仿真。另外，碳纳米管（CNTs）的加入改善了液晶弹性体（LCE）纤维内部的热分布均匀性。实验结果表明，涂有碳纳米管的 LCE 纤维具有更均匀的内部温度分布，从而提升了驱动性能——具体表现为收缩行程增加了 19.2%，收缩时间缩短了 8 秒。此外，碳纳米管网络本身具有优异的传感特性，能够实时精确地感知多种机械刺激，包括拉伸、收缩和压缩。因此，这种 CNTs/LCE 纤维人工肌肉能够实时监测自身的运动状态，同时还可以作为电路保护器来保护电子系统。