光熱雙壓電晶片致動器由於其無線控制和輕巧且易於製備而在智慧裝置中引起了相當大的關注。然而，目前的光熱雙壓電晶片執行器大多基於近紅外光源驅動的薄膜或紙張，缺乏靈活性和適應性，限制了其在可穿戴應用中的潛力。青島大學報道了一種由聚丙烯(PP)膠帶和MXene改性聚醯胺長絲( M@PA )構成的雙壓電晶片致動器，該致動器可以透過傳統的紡織路線進行可擴充套件製造，並由陽光自動觸發。PP和M@PA相反的熱膨脹效能由熵變引起熱應力產生，該致動器具有形狀記憶特徵，可以為紡織致動器的低閾值致動提供基礎。透過利用 MXene優異的光熱效能、良好的介面接觸和高熱傳導，紡織致動器表現出可逆的陽光觸發驅動。作者展示了一系列自驅動裝置，包括體溫觸發的仿生含羞草、自動捲起的智慧窗簾以及用於運動服的智慧溫度調節織物。這些結果揭示了製造的執行器在智慧紡織品和可穿戴裝置中的潛在應用。
【紡織致動器的製造】
圖1a示意性地顯示了源自商業紡紗路線的雙壓電晶片織物致動器的可擴充套件連續製造過程。基於芯吸效應和靜電吸附，透過浸漬乾燥途徑將MXene 沉積到PA長絲（M@PA ）上。隨後，乾燥的M@PA和PP膠帶透過壓敏粘合劑透過一對輥在 50 N 下粘合在一起。由於雙壓電晶片具有相反的熱膨脹和MXene光熱效率（>260%），紡織致動器在低陽光功率 (100 mW/cm2 ) 下呈現有效變形（1.38 cm–1 )。
圖 1. 紡織致動器的製造、表徵和應用。
【紡織致動器的致動機制】
當暴露於NIR光，熱誘導膨脹導致從PP側到PA側的快速彎曲。光提供更多的光子能量，由MXene轉化為熱量，隨後產生相對較高的驅動應力和更大的彎曲曲率。這可以歸因於更活躍的分子鏈運動導致PA長絲和PP帶在更高溫度下的更大熱膨脹差異。在暴露於近紅外輻射後，平臺隨著溫度在15秒內從19.3°C升高到40.6°C，彎曲曲率達到了1.43 cm–1，然後在 65 秒內恢復到初始狀態。
圖 2.紡織致動器的致動機制。
圖 3. 紡織致動器的光熱致動效能。
【紡織品執行器的智慧應用】
耦合低致動閾值和紗線形狀的紡織致動器可用作設計各種智慧紡織品的基本單元。模擬太陽光照射到屋外時，致動器經紗窗簾開始彎曲，並在50秒內滾動到窗戶頂部（圖4b）。作者還展示了自動捲簾在自然陽光下的驅動效能（圖4d）。當放置在室內時，窗簾是直的。暴露在自然陽光下，窗簾捲曲。組裝的自主捲簾可以替代傳統的智慧家居電動窗簾。此外，受到植物葉子的氣孔的啟發，基於致動器的紡織織物被設計成智慧“透氣的”溫度調節氣孔（圖4f）。當環境溫度升高時，氣孔處基於致動器的紗線向左右兩側彎曲，讓更多的空氣在面板和外部之間流動。在室溫下，智慧溫度調節織物的氣孔是關閉的。施加模擬陽光後，隨著環境溫度的升高，氣孔的紗線逐漸開啟，類似於植物葉子的氣孔。為了進一步驗證智慧調溫面料的效果，測量並記錄了穿著不同面料的下臂面板的動態溫度（圖4g）。靜止不動時，兩種情況下的面板溫度均約為31.2 °C。靜止300 s後，實驗者開始臺架試驗，運動導致血流量增加，面板溫度逐漸降低。然而，穿著智慧織物時的面板溫度顯著低於穿著對照時的面板溫度，表明智慧溫度調節織物具有良好的溫度調節效果。這是因為智慧織物似乎可以使面板與外部環境之間的通風性更好，有助於控制面板溫度。這些結果不僅引入了自主捲曲窗簾和智慧溫度調節織物，而且進一步揭示了這種具有低驅動閾值的紗線狀紡織品致動器在節能智慧紡織品中的多樣化應用前景。
圖 4. 基於紡織品執行器的智慧紡織品的應用。
相關論文以題為Wearable Sunlight-Triggered Bimorph Textile Actuators發表在《Nano Lett.》上。通訊作者是青島大學曲麗君、田明偉和深圳大學張學記。
參考文獻：
doi.org/10.1021/acs.nanolett.1c02578
