智能穿戴作为一个新兴的领域，需要材料学、纺织、能源化学、计算机通信等各学科跨领域的密切合作。
随着可穿戴电子设备的快速发展，人们对可穿戴能源的需求逐渐增大，但由于传统电池存在缺乏柔韧性、不可拉伸、难以编辑等局限性，人们对柔性随身能源材料与器件的发展注入了大量的兴趣。
作为智能穿戴的一大类目，智能服饰迟迟未能真正走进寻常消费者的生活。阻碍其实现规模化生产的因素众多，包括制作工艺复杂，生产成本高昂等，而这些都受制于现有的研发思路。
本文介绍江南大学的孙丰鑫团队开发出的一种基于单螺旋羊毛纱线的新型自稳态人工肌肉。该成果为智能服装的制造提供了新思路，或有望助力人类服饰选择发生革命性变化。另外，还将介绍一些前沿的智能服装技术。
人体的“第二层皮肤”
近年来，材料学专家一直尝试研发以人造肌肉为基础的智能纺织品，重新定义服饰，让其成为人体的“第二层皮肤”，能够根据外在自然环境主动调节冷热干湿，夏季可帮助人体加速皮肤热量散失、汗水蒸发，在冬季则能形成“挡板”，在皮肤干燥的状态下主动关闭，为人体保暖。
但这种智能服饰却迟迟未能真正走进寻常消费者的生活。阻碍其实现规模化生产的因素众多，包括制作工艺复杂，生产成本高昂等，而这些都受制于现有的研发思路。
近日，一项发表于Smart Materials and Structures期刊上的研究报道，江南大学的孙丰鑫团队开发出一种基于单螺旋羊毛纱线的新型自稳态人工肌肉，为智能服装的制造提供了新思路，或有望助力人类服饰选择发生革命性变化。
相关论文（来源：Smart Materials and Structures）
孙丰鑫表示，他们开发的这些新型材料“如同人工肌肉般，可以实现模拟生物肌肉的类似功能，包括对于不同的刺激（水、温度、光和电化学等）做出智能反应，产生可逆地收缩、扭转或弯曲等响应行为，从而改善机器人的运动或制造适应不同环境条件的智能服装”。
由于他们使用的这一技术工艺更为简单，因而使得工业化、规模化地生产成为可能。这一新材料在软体机器人、人机交互系统、智能纺织品以及人工假肢等领域具有可观的应用前景。
2022年，他们在就介绍了该团队研发的人工肌肉，可方便且经济地生产可以检测和响应环境中湿度变化的扭转致动器。
羊毛纱线何以成为人工肌肉的新宠？
长期以来，研究人员一直将目光和焦点置于如何利用纺织技术制造扭转或拉伸纱线，使其具备人工肌肉的相关功能和特质，并以碳纳米管、石墨烯、聚合物、形状记忆合金及其组合为原料，开发出多种纱线人工肌肉。
过去，纱线人工肌肉可以通过将纤维或纤维束加捻然后借助外部捻度约束来形成稳定结构。近年来，科学家们则通过双螺旋自平衡、退火、涂层、热成型和化学处理等方式，制备出了结构稳定的纱线人造肌肉。最近有研究者利用人类头发中的二硫键（DBs），采用类似烫发的技术通过还原和氧化策略在头发纤维中加入可控的捻度，形成驱动性能可编程的人工肌肉。
然而，上述方法都存在复杂的制造流程或苛刻的加工条件，并涉及到化学处理。这限制了工业领域中纱线肌肉的规模化生产，且化学添加剂更有可能对环境造成潜在危害。因此，寻找出一种环境友好的纱线人工肌肉生产工艺便迫在眉睫。
天然纤维（丝绸、蜘蛛丝、棉花、亚麻纱等）是毋庸置疑的环保型材料。由于其固有的对温和刺激条件（如水和湿气）的水分响应特性而优于聚合物纤维。羊毛纤维，作为天然角蛋白纤维的一种，更是人类最早使用的纤维之一。羊毛纤维因其特定成分和层次结构，具有许多优异的性能（生物相容性、生物可降解性、吸湿性和阻燃性等）。
羊毛纤维成分与层次结构（来源：Smart Materials and Structures）
此外，羊毛纤维亲肤舒适、绿色环保、高端时尚，更使之成为创造可持续技术和智能纺织品的最佳选择之一。
在此基础上，孙丰鑫团队使用羊毛为原材料而研发的毛纱人工肌肉在交替地暴露在潮湿和干燥环境中时，会显示出可逆的扭转驱动，这是由于羊毛纱的强捻结构放大了纤维吸湿性膨胀的动力学输出，同时在扭转形态下重新形成的二硫键网络可固化羊毛纱的螺旋形态，赋予羊毛纱线一种形状记忆效应。
湿度变化在我们生活环境中无所不在，而且激励条件相对温和。将天然羊毛以绿色环保的方法制备成能够对湿度变化具有可逆的响应的双向形状记忆材料，在湿响应智能系统等方面具有可观的应用。
独立的单螺旋结构为人工肌肉环保化、规模化量产提供可能
一直以来，研究者们都认为单螺旋加捻结构较不稳定，一旦失去外部扭转栓系，就很容易解捻而失稳。这导致以往材料学研究者们大多将关注点聚焦于双螺旋平衡结构等方面。然而，由于羊毛纤维表面定向覆盖鳞片的差微摩擦效应，现有的自平衡双螺旋结构纱因纤维间摩擦耗散，其驱动性能难以满足应用需求。那么，如果能在克服单螺旋加捻结构弊端的基础上，将其应用于羊毛纤维之中，是否就能扬“羊毛纤维之长”而避“单螺旋结构之短”呢？
江南大学孙丰鑫团队，在基于对纺织多尺度结构设计来开发柔性和多功能的纺织基人工肌肉驱动器系列工作的基础上，着重探讨通过解决单螺旋结构的捻度和结构稳定性问题，来研发单螺旋羊毛纱人工肌肉。
他们通过紫外辐照和自氧化作用在羊毛螺旋状态下形成新的二硫键桥，利用分子链栓系来稳定单螺旋纱线的宏观形态，并结合等离子体蚀刻，实现了具有自稳态的单螺旋湿敏羊毛纱线人工肌肉的高效纺制与开发，并规避了以往研究必须利用化学整理或双螺旋形式来实现人工肌肉稳定结构纺制的复杂工艺。
因此，他们提出了一种更为简便环保的工业化大规模制备策略，同时有利于降低纱线扭转驱动过程的纤维间能量耗散，提升纱线人工肌肉的驱动性能。
“大家往往习惯于在同一维度或用最直接的方式解决问题，因此面对捻度稳定性问题时，化学整理或物理约束往往是一个便捷有效的方法。纺织品作为典型的多尺度的结构材料，针对纺织品的性能研究，我们往往涉及多尺度的探索，这也许是本工作的一个启发源头。本研究工作主要借助跨尺度关联的结构调控方法，通过紫外辐照和自氧化对羊毛固有二硫键的作用构筑微观的分子链栓系网，实现宏观螺旋形态固定，避免了化学试剂和有毒添加剂的使用。”对于这项研究的突破与创新，孙丰鑫如此解释。
新型人工肌肉或具有广泛应用前景
孙丰鑫表示，其团队研发的新型人工肌肉驱动器“在智能服装、智能鞋面、智能露营装备和其他智能纺织品领域应用前景广阔，有望提供舒适、透气、无毒和亲肤的新一代纺织品。”这种新型制备方法完全可以做到简单方便、绿色可持续、并保持合适的成本进行工业化生产。这种新型制作方式，“从微观尺度来看，可能主要还是影响材料响应敏感性或各向异性膨胀特性的纳微结构调控以及材料机械力学性能提升；从宏观尺度来看，主要是针对致动器驱动需求和驱动方式的编织结构设计”，孙丰鑫同时表示。
目前，孙丰鑫团队研究的下一阶势，将借助纺织独具特色的纤维集合体构形工艺和编织技术，探索纱线基人工肌肉的产业化生产路径，并促进技术创新，促进纱线肌肉在智能纺织品中的商业化应用。
此外，他们还将基于多尺度纺织结构，包括从纳微尺度（如分子链和聚集态结构）到宏细观尺度（如纤维形态以及纱线与织物结构）的研究，借助纺织品固有的结构可设计性、可扩展性、透气性和柔软性以及力学鲁棒性，实现多种致动器研发。例如，纤维基人工肌肉、织物基气动致动器，以及相应的加工设备与工艺以及基础理论研究。
除了新型自稳态人工肌肉技术，还有哪些前沿的智能服装方面技术？
其他前沿技术
1.可纺织Agsis镀金属纤维丝在可穿戴能源领域已实现工业化量产
可纺织镀金属纤维丝为一种新型全固态智能可穿戴织物，通过飞梭织布技术，可以在微米级厚的单层织物中，将太阳能织物模块和纳米发电机模块按照不同的电气输出要求进行编织，并根据需求集成到人体衣物的不同部位。
Agsis™ 可以刺绣、针织、缝制或编织，消除了设计限制
大连义邦Agsis镀金属纤维丝已率先实现工业化量产，基材为：尼龙（聚酰胺），外层金属：银，金属重量占比：46%，DC电阻：26Ω/m，单股丝支数36，丹尼尔：185-220D，重量仅为：0.023g/m，且耐高温熔点：215°C，区别于实验级镀金属纤维丝，在使用环境及工作稳定性可获得更优异的收获。
可纺织Agsis镀金属纤维丝优势基材尼龙非金属，重量轻，柔韧，具有可纺的特性，外层金属银使原本不导电的尼龙具备了电学性能，是智能可穿戴服装的理想材料。
可穿戴能源技术未来可以说是智能纺织品技术和信息技术融合的新兴产物，该织物不仅可以采集太阳光能，还可以同时将人体运动导致的织物内部纤维机械摩擦转化成电能，从而驱动随身电子设备不间断地工作。
2.三维打印人造肌肉可支撑超自身千倍重量
意大利研究人员设计并制造了一种由3D打印结构组成的人造气动肌肉，其可根据需要伸展和收缩。
据《科学·机器人》杂志报告，这是一种在单一打印过程中制造、由18种不同GRACE（能够收缩和拉长的执行器）组成的气动手。
科技新突破 研究人员利用商用3D打印机经一次打印过程制造出了气动手，并展示了GRACE的特性。打印气动手所用的材料是一种软树脂，包含18个不同大小和形状的GRACE，因此只需十分之几帕的压力，就可弯曲手指、扭转手掌和旋转手腕。
气动手重约100克，大小与人手相当。
全新的设计使气动手可支撑超过其自身1000倍的重量，具体取决于制造它们的材料。 该成果的核心就是GRACE。这种执行器不但能收缩和伸展，还可在不同的尺寸上、尺度上，用不同的材料和机械性能来实现，进而完成前所未有广泛且逼真的运动。通过有效结合GRACE，科学家未来还可能3D打印出足够强大和灵活的“软体执行器”，应用范围从生物多样性保护，到老年人日常护理，让这一人造设备真正做到与自然和社会环境相结合。
