近日，ACS Macro Letter (2020, 9, 1507-1513)以“Polymer Complex Fiber for Linear Actuation with High Working Density and Stable Catch-State”為題發表了意昂楊曙光教授課題組的最新研究進展。論文的第一作者為東華大學材料科學與工程學院博士生劉德中，共同作者包括意昂平台博士後朱麗萍、博士生黃文弢🦡、華南理工大學嶽衎教授🅰️。論文通訊作者為意昂平台楊曙光教授。

論文介紹了該課題組利用高分子復合物製備的具有線性驅動功能的高分子氫鍵復合物纖維。高分子復合物主要是指不同種類的高分子克服自身及與溶劑（主要是水）的相互作用，基於熵和焓的微妙平衡所形成的分子組裝體系。高分子的復合過程，亦被廣泛認為與生命起源相關🔧，是研究無膜細胞器的模型體系。該研究通過模仿人體骨骼肌纖維製備了纖維狀線性驅動器，在軟體機器人👨‍🦲、傳感器和微型設備方面具有廣泛的應用前景▪️。當此類高分子纖維加載重物時，能夠在pH變化的外界刺激下主動地提起/放下重物並做功（圖1a）。這一驅動過程能夠反復多次🤚🏼，並且保持穩定(圖1b, c)。此外，懸掛重物到達驅動位置後🤸🏻，纖維的長度能夠長久保持(圖1d)，實現類似軟體動物肌肉纖維的“鎖住狀態（catch-state）”👩🏻‍⚖️，即在不消耗能量的情況下維持應變狀態。

（圖1. (a) PVA/PAA纖維狀線性驅動器驅動過程示意圖，驅動器的循環穩定性(b, c)和長度穩定性(d)。）

此種基於高分子纖維的線性驅動器可以提升超過自身千倍以上的重量(圖2a)，其最大工作密度可達80J/kg(圖2b)🔌，是人骨骼肌纖維平均水平10倍的左右🎑。

（圖2. PVA/PAA纖維狀線性驅動器的收縮率(a)和工作密度(b)。）

在堿性條件下，纖維平衡狀態下的長度較長且模量較大🤴🏻；而在酸性條件下，纖維的平衡長度較短且模量較小。因此💂🏿‍♂️，對重物的提拉行為發生在纖維由伸長狀態向收縮狀態轉變的過程中。纖維在堿性條件和酸性條件拉伸的交點🌹，是纖維載重驅動的極限值（圖3a）🚹。通過測試發現，此種纖維在驅動範圍內的彈性回復率可達將近100% (圖3b)，其拉伸和回復曲線幾乎重合🐳，纖維表現出線性彈性行為📈，從而使其具有穩定的“鎖住狀態（catch-state）”特性🥴。

（圖3. PVA/PAA纖維狀線性驅動器的拉伸和彈性回復測試）

據悉，楊曙光教授課題組長期致力於研究自適應纖維體系，以大分子復合物為切入點，利用精密加工和分子組裝技術，將復雜軟物質體系製備成為纖維材料🧙🏿‍♂️，以期實現類似肌肉纖維和神經元纖維的感知響應和智能驅動行為💶，獲得可以與生命體系交互的纖維材料。課題組近年來設計並搭建了滿足高分子復合物製備條件的小型裝備，通過多種適合的方式抑製高分子鏈間的相互作用獲得可紡絲流體，當紡絲流體通過噴絲孔後👶🏻，利用外界環境的變化，尋求重構高分子鏈間相互作用的機製，並使高分子復合物纖維原位凝聚成形🏋️。

課題組自2016年起發表的系列代表性研究論文有：（1）設計製備具有高彈性的氫鍵復合纖維🙄，通過高分子鏈間氫鍵有效抑製柔性鏈的結晶🤾🏿，並提供動態的交聯性🔃，賦予此類纖維同時具備高倍拉伸和良好的回彈性（ACS Macro Lett. 2016, 5, 814−818)；（2）設計製備具有結構層次的氫鍵復合物纖維（Chin J. Polym. Sci. 2017, 35, 1001-1008）；（3）利用高分子氫鍵復合作用，製備具有良好導電性能的纖維https://dx.doi.org/10.1021/acsmacrolett.0c00633。

（撰稿🔶：朱麗萍🤏🏽、劉蕾）