[发明专利]基于化学键交联调控的水致变色纤维人工肌肉及其制备方法及应用

说明书

一种基于化学键交联调控的水致变色纤维人工肌肉及其制备方法及应用，属于功能材料技术领域。利用动物毛发中的动态化学键，通过氧化还原反应固定纤维人工肌肉的捻度，制备成旋转伸缩型纤维人工肌肉并应用于智能服装、湿度计及软体机器人中。包括：具有化学键的纤维材料的加捻、绕棒、氧化还原定型以及染色等过程，所述纤维材料包括动物毛发、头发、及含动态化学键的合成纤维。其中旋转型人工肌肉制备是通过加捻、氧化还原定型的方式得到。伸缩型人工肌肉制备是通过加捻、绕棒，氧化还原定型的方式得到。该人工肌肉制成的智能服装能够通过自身感知湿度调控服装颜色和长短的转变，实现人体的热量管理，并且可实现变色软体机器人的爬行运动。

技术领域

本发明属于功能材料技术领域，涉及纤维人工肌肉柔性驱动器，特别涉及一种基于化学键定型调控的旋转伸缩型水致变色人工肌肉及其制备方法和水致变色人工肌肉在智能织物中的应用。

背景技术

变色章鱼可以根据环境变化实现自身颜色和形状的调整，从而实现伪装。参考自然界中的变色章鱼等软体动物，其中部分具有纤维结构，这些纤维结构促使动物的身体进行扭转伸长及收缩的运动。近年来，纤维人工肌肉由于具有结构简单、柔软度高、重量轻，机械零件少及成本低等优势，广泛应用于传感器、控制器、组织工程、医疗保健以及人机集成的软机器人等领域。

目前报道的纤维型人工肌肉大多通过加捻技术增加其驱动行程，一个关键技术问题是如何保持纤维的捻度。目前用来维持人工肌肉捻度的方法主要是外加装置固定和热定型，然而他们由于结构复杂或不具普适性等问题不能广泛应用，从而影响了纤维人工肌肉的应用。此外，同时实现颜色和形状变化的人工肌肉尚未被开发，其在智能服装及伪装领域具有广阔的应用前景。因此，纤维人工肌肉技术领域急需一种新型的纤维人工肌肉制备技术，来补充纤维人工肌肉的现有技术缺口，以推动纤维人工肌肉在传感器、控制器、组织工程、医疗保健以及人机集成的软机器人等领域的应用。

发明内容

为了解决以上现有技术中纤维人工肌肉结构复杂，固定捻度方式单一以及功能单一的问题，本发明提供了一种基于化学键交联调控的水致变色纤维人工肌肉，该纤维人工肌肉可通过调控化学键实现可逆、不可逆的旋转、伸缩等多种运动方式。该水致变色纤维人工肌肉可用于制备智能服装，出汗时衣服缩短便于人体热量的排出，同时衣服由蓝色变为浅粉色，降低外界热量吸收，通过变形和变色双重作用实现热量管理，能够补充现有纤维人工肌肉制备方法及满足特殊应用场景中的需求。

本发明还提供了基于化学键交联调控的水致变色纤维人工肌肉的制备方法。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于化学键交联调控的水致变色纤维人工肌肉，包括：具有化学键的纤维材料的加捻、绕棒、氧化还原定型以及染色，所述纤维材料包括动物毛发、头发及含动态化学键的合成纤维。本发明以羊毛纤维为例，旋转型人工肌肉制备是通过加捻、氧化还原定型的方式将羊毛纤维制成水致变色的旋转人工肌肉。该旋转人工肌肉在潮湿的环境下能够吸水破坏纤维中的氢键，导致膨胀，使得羊毛人工肌肉发生解捻，产生旋转且实现颜色转变，环境干燥时，纤维失水，氢键重新生成，产生回转，实现可逆旋转驱动和颜色恢复。水致变色伸缩型人工肌肉制备是通过加捻、绕棒、氧化还原定型、染色的方式将羊毛制成水致变色的可伸缩人工肌肉。

基于化学键交联调控的旋转型水致变色纤维人工肌肉的制备方法，具体实施步骤如下：

(1) 将长度~40 cm的毛发纤维用0.5 wt%的十二烷基硫酸钠溶液浸泡1小时，清洗表面油脂及污渍；

(2) 将所述步骤（1）中的毛发用去离子水冲洗干净，室温干燥备用；

(3) 制备旋转型人工肌肉，将清洗干净的毛发纤维进行加捻，顺时针加捻标记为“S”型，逆时针加捻标记为“Z”型；