一种自适应全纤维致动器用于人-环境交互的研究报告

一、 研究团队与发表信息

本研究由来自东华大学（Donghua University）先进纤维材料国家重点实验室、纺织科技创新中心以及材料科学与工程学院、纺织学院的研究人员共同完成。主要作者包括Yufan Zhang, Tao Zhang, Yunjie Gu, Minghui Fan, Yue Zhang, Shuang Wang, Yong Xia, Xinran Zhou，通讯作者为Jiaqing Xiong。该研究成果以题为“Adaptive All-Fiber Actuator for Human−Environment Interaction”的论文形式，于2025年3月5日在线发表在学术期刊《ACS Nano》上（ACS Nano 2025, 19, 10232–10243）。

二、 学术背景与研究目标

本研究属于智能材料、软体机器人和可穿戴电子技术交叉领域，具体聚焦于智能致动器的开发。当前，能够执行复杂任务并与人类和环境进行交互的软体致动器，在人工肌肉、自主操控、智能可穿戴设备和人机交互等领域展现出巨大潜力。理想的致动器不仅需要稳定、可编程的运动能力，还应具备环境适应性和多模态感知功能，即能够同步感知多种环境刺激并作出反馈。然而，现有的大多数智能致动器依赖于外部嵌入或组装的传感模块，在真实的致动和感知交互中缺乏灵活性和可控性。

受自然界生物（如变色龙和拟态章鱼）的启发，这些生物能够通过整合运动神经元和感觉皮肤，敏锐感知环境刺激并做出适应性的形态/颜色变化。研究人员希望开发一种能够无缝集成致动与感知功能的软体致动器。其中，基于纤维的致动器因其柔软的质地、可加工成平面不对称结构以及拥有大的刺激响应面积而备受关注。特别是静电纺丝纤维膜致动器，具有丰富的孔隙结构、大的比表面积和易于功能集成的特点，在机械调控、致动结构和多模态集成方面展现出更强的可设计性。

尽管已有研究，但如何协调力学保障的自适应致动与多模态响应及感知能力，仍然是一个挑战。例如，传统的电纺纤维膜致动器存在响应速度慢的问题；而大多数光热致动器依赖于在致密膜中加入光热填料，难以实现功能、性能和致动行为的差异化编程。此外，通过优化纤维微观结构和组装布局来实现光热-湿度协同响应模式，并同步提升机械性能、发挥/增强致动和传感功能属性的研究仍很有限。

因此，本研究旨在提出一种新颖的策略，通过构建一个“高效致动-同步传感-多模态反馈”的闭环通路，开发一种能够适应复杂场景和人-环境交互的自适应致动器。具体目标是：1）开发一种具有高效光热性能、优异机械韧性和直观颜色变化能力的双层纤维膜致动器；2）实现湿度主导、光热辅助的快速、大曲率双向致动；3）集成致动触发的摩擦电自供能传感和同步热致变色效应，赋予致动器电-视觉协同感知能力；4）展示该致动器作为智能过滤材料、智能口罩和电子纺织品等多场景应用的潜力。

三、 详细研究流程与方法

本研究主要包含以下几个关键步骤：双层纤维膜致动器（简称TCTR）的设计与制备、各组分层的性能优化与表征、致动器整体性能测试、以及在人-环境交互应用中的概念验证。

1. TCTR致动器的设计与制备 研究团队采用连续的静电纺丝策略，构建了一个具有增强型纤维互锁界面的双层纤维膜。该致动器由两层组成： * 热致变色层：由嵌入热致变色微颗粒的亲水性聚环氧乙烷（PEO）纤维构成，负责可视化致动温度。 * 热响应层：由负载MXene填料的聚偏氟乙烯（PVDF）纤维构成，该层通过工艺调控形成了微晶富集的层级结构，以增强光热响应和致动性能。

关键的创新在于纤维互锁界面的构建。在TCL层纺丝的最后阶段，同步开始TRL层的纺丝，并通过逐步提高纺丝环境的相对湿度，抑制高沸点溶剂DMF的挥发，使得未完全固化的TCL层纤维与TRL层纤维在过渡区域发生物理缠结，从而实现了界面的牢固粘合与增强。所有样品的总厚度固定为90微米，其中TCL与TRL的厚度比为2:1。

2. 各组分层的性能优化与表征 (1) 热响应层的优化： 研究重点探讨了纺丝环境相对湿度（RH）对TRL层微观结构及性能的影响。通过调控湿度（30%, 50%, 70%, 90%），诱导PVDF/MXene纤维发生固-固相分离，形成了从光滑到粗糙、直至具有微晶富集层级结构的不同形貌。研究人员系统表征了不同湿度下制备的TRL膜的力学性能（拉伸应力-应变曲线）、微观形貌（SEM）、孔结构分布（BET比表面积和孔径分布）以及光热性能（红外吸收率和光热转换效率）。结果表明，在RH 70%条件下制备的TRL膜具有最佳的层级多孔结构、最高的比表面积（13.6 m² g⁻¹）和最优的光热转换效率（22.9 °C min⁻¹），同时保持了良好的机械强度（21.1 MPa）。

(2) 热致变色层的优化： 研究通过调整纤维排列取向（通过改变接收器转速：400, 900, 1600 rpm）来协同增强TCL层的机械性能和光学灵敏度。将不同含量的热致变色填料（TC）嵌入PEO纤维中，评估了其颜色强度（K/S值）、颜色稳定性以及力学性能。研究发现，在1600 rpm下制备的高度取向的TCL膜，不仅断裂应力（2.1 MPa）和断裂韧性（1.41 MJ m⁻³）显著提升，而且由于改善了光学各向异性，其颜色变化（从深紫红色到亮淡黄色）的明度变化高达68，表现出极高的光学灵敏度。此外，通过共混电纺制备的TCL比喷涂处理的样品具有更高的颜色均匀性和稳定性。

3. 致动器整体性能测试与分析 将优化后的TCL和TRL层结合，形成完整的TCTR双层致动器，并对其进行了全面的性能测试。 * 致动机理研究：通过测试TCL和TRL层的吸水能力和热机械分析（TMA）曲线，阐明了其双向弯曲致动机理。在高湿度下，亲水的TCL层快速吸水膨胀，导致致动器向TRL侧弯曲；在光热刺激下，TRL层快速吸热膨胀并加速TCL层水分释放，导致致动器反向（向TCL侧）弯曲，实现了光热-湿度协同的定向致动。 * 致动性能测试：系统测试了TCTR在不同湿度（35%-95%）和不同红外光照时间（1-12秒）下的弯曲曲率和响应速度。结果显示，具有最佳层级结构（TRL-RH70）和高度纤维取向（1600 rpm）的TCTR致动器，表现出最快的响应速度（0.67 cm⁻¹ s⁻¹）和最大的致动曲率变化（对湿度：6.81 cm⁻¹；对光热：7.37 cm⁻¹）。 * 机械性能与耐久性测试：得益于高度取向的纤维排列和纤维互锁界面，最优的TCTR表现出优异的机械性能（拉伸应力19.2 MPa，断裂应变122%，断裂韧性17.9 MJ m⁻³）。经过100次致动循环后，其界面结构保持稳定，弯曲曲率仅下降6%，展现了出色的致动耐久性。 * 电-视觉协同感知功能验证：在TRL层表面溅射金电极，将其与聚酰胺（PA）织物耦合，构建了单电极模式的摩擦电纳米发电机。测试表明，该致动器能够通过接触带电产生电信号（输出电压达113 V），并利用TCL层的热致变色效应可视化热源路径。研究进一步设计了由不同TCTR制成的仿生机械手，通过不同手指与不同温度物体接触时产生的差异化电信号，实现了对物体温度的感知，灵敏度高达99.5%。

4. 人-环境交互应用概念验证 * 智能电子口罩：将TCTR集成到口罩中，构建了具有保护、感知和可视化功能的电子口罩。测试表明，该口罩对PM2.5的过滤效率高达98.31%，且具有良好的透气性。其电-视觉协同感知功能可用于：1）通过电信号差异实时监测空气污染程度；2）通过分析呼吸电信号的波形、频率和振幅，监测使用者的呼吸状态（如异常呼吸暂停）；3）通过热致变色效应和温度相关的电信号变化，可视化预警高温环境，保障户外作业人员安全。 * 智能温控纺织品：将多个TCTR致动器组装在棉织物上，形成智能温控纺织品。在室温下，致动器保持平坦以保暖；当人体处于炎热环境或暴露于阳光下时，致动器自动弯曲打开通道，加速汗液蒸发并增大透气面积，实现快速降温，展示了其适应动态环境进行热管理的潜力。

四、 主要研究结果

1. 成功制备了具有纤维互锁界面的自适应全纤维双层致动器。该致动器由高度取向的TCL层和具有微晶富集层级结构的TRL层组成，实现了界面的高稳定性和致动耐久性。
2. TRL层的层级结构优化显著提升了光热性能。在RH 70%条件下制备的TRL膜具有最优的层级多孔结构、最高的比表面积和光热转换效率（22.9 °C min⁻¹），为高效致动提供了基础。
3. TCL层的高度纤维取向协同增强了机械性能与光学灵敏度。1600 rpm下制备的TCL膜断裂韧性接近随机结构样品的两倍，且颜色变化的明度差高达68，实现了高灵敏度的温度可视化。
4. TCTR致动器表现出卓越的致动性能。实现了快速（0.67 cm⁻¹ s⁻¹）、大曲率（7.37 cm⁻¹）的双向光热-湿度响应致动，并具有优异的机械韧性（17.9 MJ m⁻³）和循环稳定性（150次循环后性能无明显下降）。
5. 实现了电-视觉协同的多模态感知。集成了致动触发的摩擦电自供能传感和同步热致变色效应，使致动器能够感知材料类型、物体温度（灵敏度99.5%）并可视化书写路径，构建了“响应-致动-反馈”的闭环。
6. 展示了多场景应用潜力。作为智能电子口罩，可同步实现高效空气过滤、呼吸状态监测、空气污染度感知和高温视觉报警。作为智能纺织品，可实现自适应的热管理（保温/散热）。

这些结果层层递进：首先，通过材料设计和工艺优化，分别提升了致动器两个功能层（TRL和TCL）的核心性能（光热转换和热致变色）；接着，通过界面工程将两者牢固结合，获得了具有优异力学基础和快速、大变形能力的整体致动器；然后，通过集成摩擦电传感，赋予了其超越传统致动器的环境感知与交互能力；最后，通过构建具体的应用原型（电子口罩、智能纺织品），验证了其在实际人-环境交互场景中的可行性与价值。每一步的结果都为下一步的功能实现或性能验证提供了支撑，最终共同指向了研究最初设定的目标——开发一种具有自适应性和多模态感知能力的智能致动器。

五、 研究结论与价值

本研究成功开发了一种基于纤维互锁界面的双层全纤维致动器，用于多模态人-环境交互。该工作不仅提出了一种具有力-电-光协同特性的新材料，更启发了一种用于开发具有多场景适应性的智能致动器的简易策略。

其科学价值在于： 1. 提出了一种新颖的致动器设计范式：通过“高效致动-同步传感-多模态反馈”的闭环通路，将驱动、传感和反馈功能集成于单一纤维材料体系中，实现了类似生物体的条件反射式智能行为。 2. 揭示了微观结构调控对宏观性能的协同增强机制：通过调控静电纺丝过程中的相分离行为，构建了微晶富集的层级纤维结构，同时优化了光热性能、机械性能和孔隙特性；通过调控纤维取向，协同提升了机械韧性和光学灵敏度。这为多功能纤维材料的理性设计提供了重要见解。 3. 实现了多种物理场（光、热、湿、力、电）的耦合与转换：将光热效应、湿度膨胀、热致变色和摩擦起电效应巧妙地整合在一个器件中，展示了复杂刺激响应与信息反馈的集成可能性。

其应用价值在于： 1. 推动了智能可穿戴设备和软体机器人的发展：所开发的致动器兼具柔性、可穿戴性、环境感知和主动反馈能力，在个人健康监测（如智能口罩）、环境交互（如温度预警）和自适应机器人领域具有广阔的应用前景。 2. 提供了一种高性能、一体化的材料解决方案：采用全静电纺丝“一体化”制备工艺，避免了复杂的模块化组装，有利于大规模生产和器件集成。 3. 拓展了电子皮肤的功能边界：超越了传统电子皮肤仅被动传感的局限，实现了感知-致动-反馈的主动交互，为下一代人机交互界面和智能防护装备提供了新的思路。

六、 研究亮点

1. 创新性的“纤维互锁界面”设计：通过原位连续电纺工艺构建的物理缠结界面，有效解决了双层膜因材料属性不匹配导致的界面不稳定问题，保障了致动器的力学可靠性和循环耐久性。
2. 微观结构与宏观性能的协同优化：首次系统研究了相对湿度诱导的相分离对PVDF/MXene纤维层级结构和性能的影响，并发现了高度纤维取向对PEO基热致变色膜机械与光学性能的协同增强作用，为高性能功能纤维膜的制备提供了新方法。
3. 多模态感知与闭环反馈的实现：成功将摩擦电自供能传感与热致变色可视化反馈集成于致动行为本身，创造了“电-视觉协同感知”的新模式，使器件不仅能执行动作，还能“感知”动作对象和环境，并“显示”状态信息。
4. 从材料到器件的系统性验证：研究不仅停留在材料性能表征，还深入演示了其在智能口罩和温控纺织品等具体应用场景中的功能，完整地展示了从基础材料创新到实际应用概念的转化路径。

七、 其他有价值内容

本研究还提供了大量支持性数据和方法细节，例如：通过XRD和XPS验证了MXene在纤维中的稳定封装；通过划格试验和UV测试证明了TCL层颜色的均匀性和稳定性；详细计算并比较了不同纤维取向TCTR膜的品质因子（QF），综合评价其过滤性能；通过SEM观察揭示了TCTR膜对高浓度污染物的表面吸附拦截机制，而非内部堵塞，解释了其长效过滤的潜力。这些细致的工作增强了研究的可靠性和深度。此外，论文中的补充材料（Supporting Information）和演示视频（Movies）进一步丰富了研究成果的展示，为其他研究者复现和借鉴该工作提供了充分依据。