CN115142267A - 高功率双向驱动的仿生肌肉纤维、其制备方法与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高功率双向驱动的仿生肌肉纤维、其制备方法与应用。所述仿生肌肉纤维包括基体纤维以及包覆基体纤维的客体材料层，基体纤维能够通电发热，客体材料层包括液晶弹性体；仿生肌肉纤维过度加捻至具有螺旋筒状结构。本发明所提供的仿生肌肉纤维改善了液晶弹性体的机械性能，具有大的做功能力和驱动量；可实现快速响应，并通过改变电压来控制驱动性能，可以在高频下工作；并且无需负载即可恢复，具有双向驱动特性，循环做功大于零；本发明提供的制备方法无需大量的液晶弹性体，节省了成本，且制备过程复杂度低，无需苛刻的条件，解决了液晶弹性体纤维制备复杂及难以连续化制备的问题，有利于发展应用。

Description

高功率双向驱动的仿生肌肉纤维、其制备方法与应用
技术领域
本发明涉及人工肌肉技术领域，尤其涉及一种高功率双向驱动的仿生肌肉纤维、其制备方法与应用。
背景技术
随着科技的发展，机器人逐渐在一些工业领域代替了人工，目前应用的机器人大部分是刚性机器人，通过刚性连接器连接，马达进行驱动，这种刚性机器人存在结构复杂，智能化程度低，适应化境能力差以及难以微型化等问题，难以满足机器人在商业、医疗康复等领域的多样性需求。
为了解决刚性机器人存在的问题，智能材料引起了人们的广泛关注，智能材料是一类具有多种功能的材料，包括刺激响应性、产生、运输和/或储存电荷的能力以及生物相容性等。其中，能够在循环的刺激下产生不同形状变化的形状记忆材料引发了人们的广泛研究，得益于其优异的刺激响应性及可逆的形状变化能力，在不同的刺激下可以产生不同的形状变化，在驱动器领域有重要的应用前景。目前研究的形状记忆材料主要有合金、陶瓷、聚合物及凝胶，其中，形状记忆聚合物因为质轻、成本低，可实现多种形状变化成为了人们的研究重点。
目前研究的形状记忆聚合物主要有两种：具有可逆形状变化的双向形状记忆聚合物(2W-SMPs)和形状变化不可逆的单向形状记忆聚合物(1W-SMPs)。双向形状记忆聚合物在受到刺激时形状变化可逆，在实际应用中更具有优势。双向形状记忆聚合物根据驱动时有无应力又可以分为两种：有应力及无应力。其中，无需外加应力即可在失去刺激后恢复原状的形状记忆聚合物具有更广泛的通用性，是研究的热点和难点。
液晶弹性体(LCE)作为一种形状记忆聚合物，自发展至今，一直是人们研究的热点。1981年，Finkelmann等人采用两步交联法合成了第一批液晶弹性体；1991年，他们研究发现当单畴液晶弹性体加热到相转变温度时，LCE会从向列相转变为各向同性相，从而沿着液晶分子的指向矢方向收缩，收缩率达到26％；随后Thomsen等在2001年提出了向列液晶弹性体可以表现出类似肌肉的性质，应力为210kPa，应变为35-45％，具有双向形状记忆聚合物的特性。
此后人们研究了不同反应类型的液晶弹性体的驱动性能及形状改变行为，发现液晶弹性体具有柔性高，应变大等优点，但其合成复杂，力学性能差，难以大规模制备，驱动应力低等严重限制了液晶弹性体的应用。并且，目前研究的液晶弹性体大部分需要在应力的作用下才能产生可逆的形状变化，因此制备无需应力即可实现双向驱动性能的液晶弹性体是一个挑战。
总结而言，现有技术的缺点主要有：1)纯液晶弹性体的机械强度低，无法满足大的做功需求，且不具有高频做功能力。2)目前的主流仿生肌肉纤维无双向驱动性能。3)目前研究的大部分仿生肌肉纤维在循环过程中一直需要负载，整个过程做功为零。4)热驱动液晶弹性体大多需要在热风枪等加热装置下实现驱动，热量耗散严重，加热不均，不利于实际应用。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种高功率双向驱动的仿生肌肉纤维、其制备方法与应用。尤其是提供一种具有双向驱动性能、大功率、响应速度快、循环做功大于零且驱动性能优异的新型仿生肌肉纤维。
为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：
第一方面，本发明提供一种高功率双向驱动的仿生肌肉纤维，包括基体纤维以及包覆所述基体纤维的客体材料层，所述基体纤维能够通电发热，所述客体材料层包括液晶弹性体；所述仿生肌肉纤维过度加捻至具有螺旋筒状结构。
第二方面，本发明还提供一种仿生肌肉纤维的制备方法，其包括：
提供基体纤维和客体材料前驱液，所述基体纤维能够通电发热，所述客体材料前驱液中至少包含液晶弹性体前驱体；
使所述客体材料前驱液涂覆于所述基体纤维的表面形成液膜；
引发所述液膜的固化反应，在所述基体纤维表面形成客体材料层，获得纤维前体；
对所述纤维前体进行过度加捻，使所述纤维前体具有螺旋筒状结构，获得仿生肌肉纤维。
第三方面，本发明还提供上述仿生肌肉纤维在制备驱动器中的应用。
基于上述技术方案，与现有技术相比，本发明的有益效果至少包括：
本发明所提供的仿生肌肉纤维大大改善了液晶弹性体的机械性能，具有大的做功能力和驱动量；可实现快速响应，并通过改变电压来控制驱动性能，可以在高频下工作；并且无需负载即可恢复初始状态，具有双向驱动特性，循环做功大于零。
同时，本发明所提供的仿生肌肉纤维的制备方法无需大量的液晶弹性体，节省了成本，且制备过程复杂度低，无需苛刻的条件，解决了液晶弹性体纤维制备复杂及难以连续化制备的问题，有利于发展应用。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够使本领域技术人员能够更清楚地了解本申请的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合详细附图说明如后。
附图说明
图1是本发明一典型实施案例提供的仿生肌肉纤维的制备流程示意图；
图2是本发明一典型实施案例提供的仿生肌肉纤维的过度加捻过程照片；
图3是本发明一典型实施案例提供的仿生肌肉纤维在不同电压下的驱动性能测试图；
图4是本发明一典型实施案例提供的仿生肌肉纤维在不同频率下的驱动性能测试图；
图5是本发明一典型实施案例提供的仿生肌肉纤维收缩率和收缩功与应力的关系测试图；
图6是本发明一典型实施案例提供的仿生肌肉纤维双向驱动性能测试图。
具体实施方式
鉴于现有技术中的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
参见图1和图2，本发明实施例提供一种高功率双向驱动的仿生肌肉纤维，包括基体纤维以及包覆所述基体纤维的客体材料层，所述基体纤维能够通电发热，所述客体材料层包括液晶弹性体；所述仿生肌肉纤维过度加捻至具有螺旋筒状结构。
上述技术方案中，液晶弹性体在加捻的过程中受到沿加捻方向的拉伸作用力，液晶弹性体内部的介晶分子实现了从无序到相对有序的过程，从而产生驱动性能；当对所述基体纤维进行通电加热时，温度大于液晶弹性体的向列相向各向同性相转变温度时，液晶弹性体从向列相转变为各向同性相，即从相对有序的状态转变为无序状态，导致纤维发生解捻；此时，由于纤维受到应力作用，解捻受到束缚，因此解捻力转变为收缩力，拉动负载收缩，进而实现了仿生肌肉纤维的收缩做功。
同时，本发明人还发现，本发明所提供的仿生肌肉纤维还具有双向驱动且做功大于零的性能，具体表现在当撤去电流加热，仿生肌肉纤维温度恢复时，无需施加应力负载的拉动，可以自发地恢复原始长度，在整个过程中仿生肌肉纤维在收缩时拉动负载做功，在失去热刺激后自行恢复原状，恢复过程无需施加负载，因此在循环过程中仿生肌肉纤维的做功大于零。
其中，客体材料层至少包括液晶弹性体，可以仅包括所述液晶弹性体，也可以额外包含其他的杂质或功能性添加剂等等，例如未完全去除的溶剂、引发剂等等，同时，还可能会含有具有增韧作用的添加聚合物等等，以上所有类似的情形均符合本发明的技术构思，亦应均属于本发明的保护范围之内。所述的螺旋筒状结构如图2所示，所述仿生肌肉纤维卷曲成类似于弹簧的结构，这一结构是由于过捻导致的。
在本发明中，发明人基于LCE复合材料发明了一种新型的双向驱动仿生肌肉纤维，这种纤维具有双向驱动特性，可以实现快速响应，并可实现循环做功大于零，做功能力最大可达1.9J/g，在高频下依然具有较好的驱动性能，在实际应用中具有更大的优势，在机器人，生物医学工程等领域有着广泛的应用前景。
在一些实施方案中，所述基体纤维可以包括电热纤维以及可选择的绝缘纤维；当具有绝缘纤维时，可以选择为电热纤维和绝缘纤维的混纺或并股等复合形式。所述的电热纤维是指具有一定导电性，且在通电条件下发热的纤维。
在一些实施方案中，所述电热纤维可以包括碳纳米管纤维、石墨烯纤维、碳纤维、镀银尼龙纤维、银线以及铜线中的任意一种或两种以上的组合。
在一些实施方案中，所述绝缘纤维可以包括棉线、尼龙纤维、氨纶纤维、芳纶纤维、聚酰亚胺纤维、聚酯纤维以及聚乙烯纤维中的任意一种或两种以上的组合。
在一些实施方案中，所述基体纤维的直径可以为50-500μm。优选为60μm。
在一些实施方案中，所述客体材料层的厚度可以为1-20μm。优选为1μm左右。
在一些实施方案中，所述基体纤维与客体材料层的质量比可以为1∶(3-12)。
在一些实施方案中，所述仿生肌肉纤维可以为单股加捻或多股并股加捻。
在一些实施方案中，所述仿生肌肉纤维优选为双股并股加捻；本发明人发现，多股并股后加捻的仿生肌肉纤维相比于单股加捻的仿生肌肉纤维具有更高的驱动量，并且，双股并股加捻的仿生肌肉纤维的驱动量及其他性能是最佳的。
在一些实施方案中，所述仿生肌肉纤维的捻度可以为4000-6000r/m，进一步优选为5200r/m。
在一些实施方案中，在所述仿生肌肉纤维松弛状态下，所述螺旋筒状结构的直径可以为50-200μm，优选的直径为～100μm左右。制备好的螺旋纤维松弛时螺距之间是紧贴的，参考图2右图。
继续参见图1和图2，本发明实施例还提供一种仿生肌肉纤维的制备方法，包括如下的步骤：
提供基体纤维和客体材料前驱液，所述基体纤维能够通电发热，所述客体材料前驱液中至少包含液晶弹性体前驱体。
使所述客体材料前驱液涂覆于所述基体纤维的表面形成液膜。
引发所述液膜的固化反应，在所述基体纤维表面形成客体材料层，获得纤维前体。
对所述纤维前体进行过度加捻，使所述纤维前体具有螺旋筒状结构，获得仿生肌肉纤维。
其中，所述的纤维基体并非一定是横截面为圆形的常规纤维状，其也可以是窄带状的纤维，凡是细长型的形状的具有发热功能的纤维均可作为所述纤维基体。
在一些实施方案中，所述客体材料前驱液的制作方法可以包括如下的步骤：
使包括液晶单体、扩链剂以及有机溶剂的反应体系加热发生预反应。
向所述反应体系中至少加入催化剂、交联剂以及光引发剂，并继续加热引发迈克尔加成反应，获得所述客体材料前驱液。
其中，催化剂催化的是迈克尔加成反应制备液晶弹性体，交联剂在迈克尔加成反应中起作用，使其形成交联的网络结构，光引发剂在紫外光固化时使前期反应生成的低聚物快速固化形成三维网络结构的高分子聚合物。加热引发迈克尔加成反应聚合的同时，还可以起到去除部分溶剂的作用，来形成较大粘度的客体材料前驱液。
在一些实施方案中，所述液晶单体可以包括RM82以及RM257中的任意一种或两种的组合。
在一些实施方案中，所述扩链剂可以包括烯丙基二硫醇以及2，2′-(1，2-乙二基双氧代)双乙硫醇中的任意一种或两种的组合。
在一些实施方案中，所述催化剂可以包括三乙胺、正丙胺以及正丁胺中的任意一种或两种以上的组合。
在一些实施方案中，可以通过紫外光照射引发所述液膜的固化反应。
在一些实施方案中，所述制备方法具体可以包括：使涂覆有所述液膜的基体纤维通过拉丝模以控制所述液膜的厚度。
在一些实施方案中，所述基体纤维可以具有初始捻度，所述过度加捻的加捻方向与所述初始捻度的手性方向相同。所述的初始捻度应当并未过捻，即没有形成螺旋筒状结构。
作为上述技术方案的一些典型的应用示例，上述仿生肌肉纤维的制备方法可以采用如下的步骤得以实施：
以高强度，高模量的碳纳米管(CNT)纤维作为复合纤维基体，参考文献报道的硫醇-丙烯酸酯迈克尔加成反应制备客体材料液晶弹性体(LCE)前驱体，随后采用如图1所示的自主设计的装置连续制备碳纳米管/液晶弹性体(CNT/LCE)复合纤维，最后在紫外光下将液晶弹性体固化，得到具有核壳结构的碳纳米管/液晶弹性体复合纤维。随后截取两股复合纤维，并股后将纤维一端悬挂负载，另一端固定在电机转轴上进行加捻，最后得到螺旋纤维，即完成热驱动仿生肌肉纤维的制备。
需要说明的是，上述自主设计的装置的目的即是为了均匀、连续地在纤维基体上涂覆客体材料前驱液，其主要步骤就是使纤维基体浸入客体材料前驱液中，尤其是经过针筒容置的客体材料前驱液中，然后在经过拉丝模形成均匀液膜，然后再紫外固化。上述装置的结构和组成并非对本发明技术方案的限制，相反的，采用其他现有的或另行设计的涂覆装置亦可实现同样的涂覆和固化效果，对于制备装置的替换和变式理应属于本发明的保护范围之内。
基于上述技术方案，得益于碳纳米管优异的力学性能，大大改善了液晶弹性体的机械性能，二者复合组成的仿生肌肉纤维具有大的做功能力。通过自主设计的实验装置可实现复合纤维的大规模连续制备，解决了液晶弹性体纤维制备复杂及难以连续化制备的问题。得益于碳纳米管的高导电及电热转化性能，复合纤维在焦耳热的作用下可实现快速响应，并通过改变电压来控制驱动性能，可以在高频下工作。由复合纤维加捻制备的双股螺旋纤维驱动性能优异，驱动量可以达到40％以上。目前大部分的仿生肌肉纤维需要负载才能在收缩后恢复原长，循环做功为零，这种复合仿生肌肉纤维无需负载即可恢复，具有双向驱动特性，循环做功大于零。
本发明实施例还提供上述任一实施方式提供的或制作方法制得的仿生肌肉纤维在驱动器中的应用。进一步地，所述驱动器包括机器人驱动器，例如机器人机械手的驱动、面部表情的驱动单元等等，当然，不仅限于机器人，作为植入人体的替代肌肉运作的驱动单元亦可，例如应用于人工心脏中等等。
以下通过若干实施例并结合附图进一步详细说明本发明的技术方案。然而，所选的实施例仅用于说明本发明，而不限制本发明的范围。
实施例1
本实施例示例一仿生肌肉纤维的制备流程及其性能测试，具体如下所示：
步骤1：以浮动催化化学气相沉积法制备的碳纳米管窄带为初始基体，一端固定在纺丝机上，利用纺丝机对窄带加捻，通过连续加捻制备数十米长的直纤维，作为基体纤维，其直径约为60μm，取下备用。
步骤2：采用硫醇-丙烯酸酯迈克尔加成反应制备液晶弹性体作为客体材料。首先将0.8mmol的液晶单体1，4-双[4-(6-丙烯酰氧基己氧基)苯甲酰氧基]-2-甲基苯(RM82)溶解于3mL二氯甲烷中，随后向RM82溶液中加入1.0mmol的扩链剂2，2′-(1，2-乙二基双氧代)双乙硫醇(EDDT)，混合均匀在80℃下保持10min进行预反应。预反应后分别向溶液中加入1wt％的催化剂三乙胺，0.1mmol的交联剂季戊四醇四-3-巯基丙酸酯(PETMP)，再加入2wt％的光引发剂安息香双甲醚(I-651)，混合均匀后置于水浴锅中在65℃下反应3h，最终得到粘稠的液晶弹性体前驱体。
步骤3：将制备的液晶弹性体前驱体溶液倒入接有碳纳米管纤维的针筒中，静置2min后启动收集装置，收集速度为0.64rpm，通过收集装置使碳纳米管纤维连续通过装有液晶弹性体的针筒中，随后再通过一个0.25mm拉丝模，使液晶弹性体均匀涂覆在碳纳米管纤维表面，然后在紫外光下进行固化，最后收集起来得到碳纳米管/液晶弹性体复合纤维，其直径为100μm左右。
步骤4：截取两根6cm长的碳纳米管/液晶弹性体复合纤维并股排列，随后将双股纤维一端悬挂在电机上，另一端固定挂上负载，启动电机保持与步骤1手性相同并以一定的转速进行加捻，直至过捻形成螺旋结构，螺旋结构的外径为～290μm，螺旋纤维的直径约为100μm，即完成了仿生肌肉纤维的制备。并且采用类似的方法分别制备了(其中，纤维的股数不一样，外径及纤维的直径会发生变化，螺距一般都是紧贴着的，参考图2所示)单股不并股的、大于双股的多股并股的仿生肌肉纤维若干个。
图2为本实施例制备仿生肌肉纤维的过程的光学图片，将两根直纤维并股加捻形成双股螺旋纤维，纤维的直径为100μm左右，液晶弹性体在加捻的过程中受到沿加捻方向的拉伸作用力，液晶弹性体内部的介晶分子实现了从无序到相对有序的过程，从而产生驱动性能。
图3显示了本实施例制备的不同股数的仿生肌肉纤维在不同电压下的驱动性能，在通电时，CNT产生焦耳热，当温度大于液晶弹性体的向列相向各向同性相转变温度时，液晶弹性体从向列相转变为各向同性相，即从相对有序的状态转变为无序状态，导致纤维发生解捻。由于纤维受到应力作用，解捻受到束缚，因此解捻力转变为收缩力，拉动负载收缩。从图中可以看出，随着电压的增大，纤维的驱动性能逐渐增大，其中，双股仿生肌肉纤维的驱动性能最好。
图4为本实施例提供的双股复合仿生肌肉纤维在0.83MPa的应力，11V电压(10％占空比)下的驱动性能，从图中可以看出，在0.33Hz下，通电0.3s的情况下，双股复合纤维实现了～47％的收缩，收缩速率达到了～156％/s，实现了快速响应。同时随着频率的增加，纤维的驱动性能逐渐降低，这是因为频率增大，通电时间减小，因而CNT产生的热量降低，传递给LCE的能量降低，从而导致纤维的驱动性能下降。纤维在10Hz下具有约6％的收缩量，表明这种双股纤维具有在高频下工作的能力。
图5为纤维的收缩功与应力的关系，图中显示随着应力的增大，纤维的收缩率逐渐下降，收缩功逐渐上升，当应力为～29MPa时，纤维的收缩功为～1.9J/g，约为骨骼肌的47倍，具有较大的工作能力。
图6显示了双股纤维具有双向驱动性能，将纤维末端连接一个砝码，另一端固定，随后施加电压，在通电后纤维拉着砝码向前运动，断电前的瞬间纤维保持在图6左下图的状态，随后纤维不受应力作用，自发地恢复原状，图6右下图，由于纤维柔软，无法推动砝码回到原位，保持在图6右下图所示的状态。当用手稍微将纤维拉直后发现纤维恢复了通电前的长度，如图6右上图所示，这表明这种双股螺旋纤维具有双向驱动性能。在整个过程中纤维在收缩时拉动砝码做功，在失去热刺激后自行恢复原状，恢复过程无需负载，因此在循环过程中纤维的做功大于零。
实施例2
本实施例示例一仿生肌肉纤维的制备流程，具体如下所示：
步骤1：直接以浮动催化化学气相沉积法制备的碳纳米管窄带为基体，而未加捻，将数十米长的细窄带安装在制备装置中，备用。
步骤2：采用硫醇-丙烯酸酯迈克尔加成反应制备液晶弹性体前驱体作为驱动材料。首先将0.8mmol的液晶单体1，4-双[4-(6-丙烯酰氧基己氧基)苯甲酰氧基]-2-甲基苯(RM82)溶解于3mL二氯甲烷中，随后向RM82溶液中加入1.0mmol的2，2′-(1，2-乙二基双氧代)双乙硫醇(EDDT)，混合均匀在80℃下保持10min。预反应后加入1wt％的三乙胺，0.1mmol的PETMP，再加入2wt％的光引发剂1-651，混合均匀后置于水浴锅中在65℃下反应3h，最终得到粘稠的液晶弹性体前驱体。
步骤3：将制备的液晶弹性体前驱体溶液倒入接有碳纳米管细窄带的针筒中，静置2min后启动收集装置，收集速度为0.64rpm，通过收集装置使碳纳米管细窄带连续通过装有液晶弹性体的针筒中，随后再通过一个0.25mm拉丝模，然后在紫外光下固化，最后收集起来得到碳纳米管/液晶弹性体复合窄带。
步骤4：截取两根6cm长的碳纳米管/液晶弹性体复合窄带，先分别加捻为直纤维，但并不过捻，随后并股排列，再将双股纤维一端悬挂在电机上，另一端固定挂上负载，启动电机保持与加捻为直纤维时的手性相同，以一定的转速进行加捻，直至形成螺旋结构，即完成了仿生肌肉纤维的制备。
实施例3
本实施例示例一仿生肌肉纤维的制备流程，具体如下所示：
步骤1：以石墨烯纤维为初始基体，将数十米长的纤维固定在制备复合纤维的装置上，备用。
步骤2：采用硫醇-丙烯酸酯迈克尔加成反应制备液晶弹性体前驱体作为驱动材料。首先将0.8mmol的液晶单体1，4-双[4-(6-丙烯酰氧基己氧基)苯甲酰氧基]-2-甲基苯(RM82)溶解于3mL二氯甲烷中，随后向RM82溶液中加入1.0mmol的2，2′-(1，2-乙二基双氧代)双乙硫醇(EDDT)，混合均匀在80℃下保持10min。预反应后加入1wt％的三乙胺，0.1mmol的PETMP，再加入2wt％的光引发剂I-651，混合均匀后置于水浴锅中在65℃下反应3h，最终得到粘稠的液晶弹性体前驱体。
步骤3：将制备的液晶弹性体前驱体溶液倒入有石墨烯纤维的针筒中，静置2min后启动收集装置，收集速度为0.64rpm，通过收集装置使石墨烯纤维连续通过装有液晶弹性体的针筒中，随后再通过一个0.25mm拉丝模，使液晶弹性体均匀涂覆在石墨烯纤维表面，然后在紫外光下进行固化，最后收集起来得到石墨烯/液晶弹性体复合纤维。
步骤4：截取两根6cm长的石墨烯/液晶弹性体复合纤维并股排列，随后将双股纤维一端悬挂在电机上，另一端固定挂上负载，启动电机保持与石墨烯纤维手性相同以一定的转速进行加捻，直至形成螺旋结构，即完成了仿生肌肉纤维的制备。。
实施例4
本实施例示例一仿生肌肉纤维的制备流程，具体如下所示：
步骤1：以碳纤维为基体，将数十米长的碳纤维安装在制备复合纤维的装置上，备用。
步骤2：采用硫醇-丙烯酸酯迈克尔加成反应制备液晶弹性体前驱体作为驱动材料。首先将0.8mmol的液晶单体1，4-双[4-(6-丙烯酰氧基己氧基)苯甲酰氧基]-2-甲基苯(RM82)溶解于3mL二氯甲烷中，随后向RM82溶液中加入1.0mmol的2，2′-(1，2-乙二基双氧代)双乙硫醇(EDDT)，混合均匀在80℃下保持10min。预反应后加入1wt％的三乙胺，0.1mmol的PETMP，再加入2wt％的光引发剂I-651，混合均匀后置于水浴锅中在65℃下反应3h，最终得到粘稠的液晶弹性体前驱体。
步骤3：将制备的液晶弹性体前驱体溶液倒入接有碳纤维的针筒中，静置2min后启动收集装置，收集速度为0.64rpm，通过收集装置使碳纤维连续通过装有液晶弹性体的针筒中，随后再通过一个0.25mm拉丝模，然后在紫外光下固化，最后收集起来得到碳纤维/液晶弹性体复合纤维。
步骤4：截取两根6cm长的碳纤维/液晶弹性体复合纤维并股排列，再将双股纤维一端悬挂在电机上，另一端固定挂上负载，启动电机保持与碳纤维手性相同，以一定的转速进行加捻，直至形成螺旋结构，即完成了仿生肌肉纤维的制备。
实施例5
本实施例示例一仿生肌肉纤维的制备流程，具体如下所示：
步骤1：以镀铜的聚酰亚胺纤维为基体，将数十米长的聚酰亚胺纤维安装在制备复合纤维的装置上，备用。
步骤2：采用硫醇-丙烯酸酯迈克尔加成反应制备液晶弹性体前驱体作为驱动材料。首先将0.8mmol的液晶单体1，4-双[4-(6-丙烯酰氧基己氧基)苯甲酰氧基]-2-甲基苯(RM82)溶解于3mL二氯甲烷中，随后向RM82溶液中加入1.0mmol的2，2′-(1，2-乙二基双氧代)双乙硫醇(EDDT)，混合均匀在80℃下保持10min。预反应后加入1wt％的三乙胺，0.1mmol的PETMP，再加入2wt％的光引发剂1-651，混合均匀后置于水浴锅中在65℃下反应3h，最终得到粘稠的液晶弹性体前驱体。
步骤3：将制备的液晶弹性体前驱体溶液倒入接有聚酰亚胺纤维的针筒中，静置2min后启动收集装置，收集速度为0.64rpm，通过收集装置使聚酰亚胺纤维连续通过装有液晶弹性体的针筒中，随后再通过一个0.25mm拉丝模，使液晶弹性体均匀涂覆在聚酰亚胺纤维表面，然后在紫外光下进行固化，最后收集起来得到聚酰亚胺/液晶弹性体复合纤维。
步骤4：截取两根6cm长的聚酰亚胺/液晶弹性体复合纤维并股排列，随后将双股纤维一端悬挂在电机上，另一端固定挂上负载，启动电机并以一定的转速进行加捻，直至形成螺旋结构，即完成了仿生肌肉纤维的制备。
实施例6
本实施例示例一仿生肌肉纤维的制备流程，具体如下所示：
步骤1：以镀银尼龙纤维为基体，将数十米长的尼龙纤维安装在制备复合纤维的装置上，备用。
步骤2：采用硫醇-丙烯酸酯迈克尔加成反应制备液晶弹性体前驱体作为驱动材料。首先将0.8mmol的液晶单体1，4-双[4-(6-丙烯酰氧基己氧基)苯甲酰氧基]-2-甲基苯(RM82)溶解于3mL二氯甲烷中，随后向RM82溶液中加入1.0mmol的2，2′-(1，2-乙二基双氧代)双乙硫醇(EDDT)，混合均匀在80℃下保持10min。预反应后加入1wt％的三乙胺，0.1mmol的PETMP，再加入2wt％的光引发剂I-651，混合均匀后置于水浴锅中在65℃下反应3h，最终得到粘稠的液晶弹性体前驱体。
步骤3：将制备的液晶弹性体前驱体溶液倒入接有尼龙纤维的针筒中，静置2min后启动收集装置，收集速度为0.64rpm，通过收集装置使尼龙纤维连续通过装有液晶弹性体的针筒中，随后再通过一个0.25mm拉丝模，然后在紫外光下固化，最后收集起来得到尼龙/液晶弹性体复合纤维。
步骤4：截取两根6cm长的尼龙/液晶弹性体复合纤维，并股排列，随后将双股纤维一端悬挂在电机上，另一端固定挂上负载，启动电机保持与尼龙纤维手性相同并以一定的转速进行加捻，直至形成螺旋结构，即完成了仿生肌肉纤维的制备。
采用与实施例1相同的测试方法对实施例2-6中获得的仿生肌肉纤维进行了驱动量、高频性能以及循环做功的测试，可以发现，实施例2-6所制得的仿生肌肉纤维与实施例1具有相同的各项性能，因篇幅所限，在此不再赘述。
基于上述检测结果，可以明确，本发明实施例所提供的仿生肌肉纤维大大改善了液晶弹性体的机械性能，具有大的做功能力和驱动量；可实现快速响应，并通过改变电压来控制驱动性能，可以在高频下工作；并且无需负载即可恢复，具有双向驱动特性，且无需负载应力即可恢复初始状态，循环做功大于零。
同时，本发明实施例所提供的仿生肌肉纤维的制备方法无需大量的液晶弹性体，节省了成本，且制备过程复杂度低，无需苛刻的条件，解决了液晶弹性体纤维制备复杂及难以连续化制备的问题，利于发展应用。
应当理解，上述实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高功率双向驱动的仿生肌肉纤维，包括基体纤维以及包覆所述基体纤维的客体材料层，其特征在于：
所述基体纤维能够通电发热，所述客体材料层包括液晶弹性体；
所述仿生肌肉纤维过度加捻至具有螺旋筒状结构。
2.根据权利要求1所述的仿生肌肉纤维，其特征在于，所述基体纤维包括电热纤维以及选择性加入或不加入的绝缘纤维；
优选的，所述电热纤维包括碳纳米管纤维、石墨烯纤维、碳纤维、镀银尼龙纤维、银线以及铜线中的任意一种或两种以上的组合；
优选的，所述绝缘纤维包括棉线、尼龙纤维、氨纶纤维、芳纶纤维、聚酰亚胺纤维、聚酯纤维以及聚乙烯纤维中的任意一种或两种以上的组合。
3.根据权利要求1所述的仿生肌肉纤维，其特征在于，所述基体纤维的直径为50-500μm；
和/或，所述客体材料层的厚度为1-20μm；
优选的，所述基体纤维与客体材料层的质量比为1：(3-12)。
4.根据权利要求1所述的仿生肌肉纤维，其特征在于，所述仿生肌肉纤维为单股加捻或多股并股加捻；
优选的，所述仿生肌肉纤维为双股并股加捻；
优选的，所述仿生肌肉纤维的捻度4000-6000r/m。
5.根据权利要求4所述的仿生肌肉纤维，其特征在于，在所述仿生肌肉纤维松弛状态下，所述螺旋筒状结构的直径为50-200μm。
6.一种仿生肌肉纤维的制备方法，其特征在于，包括：
提供基体纤维和客体材料前驱液，所述基体纤维能够通电发热，所述客体材料前驱液中至少包含液晶弹性体前驱体；
使所述客体材料前驱液涂覆于所述基体纤维的表面形成液膜；
引发所述液膜的固化反应，在所述基体纤维表面形成客体材料层，获得纤维前体；
对所述纤维前体进行过度加捻，使所述纤维前体具有螺旋筒状结构，获得仿生肌肉纤维。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述客体材料前驱液的制作方法包括：
使包括液晶单体、扩链剂以及有机溶剂的反应体系加热发生预反应；
向所述反应体系中至少加入催化剂、交联剂以及光引发剂，并继续加热引发迈克尔加成反应，获得所述客体材料前驱液；
优选的，所述液晶单体包括RM82以及RM257中的任意一种或两种的组合；
和/或，所述扩链剂包括烯丙基二硫醇以及2，2′-(1，2-乙二基双氧代)双乙硫醇中的任意一种或两种的组合；
和/或，所述催化剂包括三乙胺、正丙胺以及正丁胺中的任意一种或两种以上的组合。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，通过紫外光照射引发所述液膜的固化反应。
9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述基体纤维具有初始捻度，所述过度加捻的加捻方向与所述初始捻度的手性方向相同。
10.权利要求1-5中任意一项所述的仿生肌肉纤维在制备驱动器中的应用。
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