人工肌肉在外界刺激下能够发生收缩、旋转等驱动，因而在机器人、智能织物和假肢等领域引起了广泛关注。目前人工肌肉的制备材料，主要包括碳纳米管纤维、聚合物纤维、液晶弹性体等，通常需要加捻或扭曲等复杂工艺，同时制备的人工肌肉存在响应单一、收缩行程有限、驱动力弱以及应用场景受限等瓶颈问题。
“科学探索奖”2024年获奖人、北京航空航天大学化学学院教授程群峰课题组2021年首次发现并实验证实了纳米复合材料制备过程中因毛细收缩产生的孔隙缺陷结构1。随后，该课题组进一步开发了有序界面桥联1、纳米限域2、液态金属填充3、卷对卷辅助刮涂4等组装策略，通过降低孔隙率，制备出了一系列高性能二维纳米复合材料。近期，该课题组与德克萨斯大学达拉斯分校Ray H. Baughman院士合作，将MXene纳米片实现纤维径向排列，通过纤维素纳米纤维（CNFs）调控MXene片层间孔隙率，创制了新颖的MXene复合纤维人工肌肉（MFAMs）5，探索了MXene纳米材料在人工肌肉领域的应用。
MXene/CNFs复合纳米片通过由窄变宽的纺丝针头，巨大的膨胀应力会消除纺丝过程中导致复合纳米片轴向排列的剪切力，然后再经过乙醇凝固浴，制备MXene纳米片径向取向的MXene复合纤维人工肌肉（MFAMs）。在25ºC至125ºC温度范围区间，MXene复合纤维人工肌肉可提起自身重量1000倍以上的物体，最大收缩行程为21%，做工能力达1.76 J g-1，是自然肌肉的45倍。原位变温表征和模拟结果揭示了MXene复合纤维人工肌肉的收缩驱动机制（图1）。随着温度的升高，氢键网络取向排列诱导MXene纳米片层间距降低，从而导致MXene/CNFs复合纳米片被拉平取向，这种“压缩”效应降低了孔隙率，实现了MXene复合纤维人工肌肉的收缩驱动。
由于MXene具有优异的焦耳热和光热转换性能，MXene复合纤维人工肌肉在电热和光热刺激下也展示了快速且稳定的响应收缩驱动性能，其收缩行程和做功能力高于其它非扭转、热驱动纤维人工肌肉（图2）。此外，具有非扭转结构的MXene复合纤维人工肌肉具有高度可编织性，可以制备复杂形状的驱动器。例如，由4根MXene复合纤维连接的人工假肢在808 nm近红外激光照射时可以驱动自身重量2000倍的手臂200次以上，而8根MXene复合纤维组成的智能抓手则在照射近红外激光时响应收缩，可以实现玩具球的抓取、转移和释放。
图2：MXene复合纤维人工肌肉（MFAMs）与其它非扭转、热驱动纤维人工肌肉的驱动性能对比图（A），MFAMs在人工假肢上的应用展示（B）这项开创性研究成果在人工肌肉领域具有里程碑的意义，其核心创新在于首次制备了MXene复合纤维人工肌肉，为解决人工肌肉响应单一、收缩行程有限、驱动力弱以及应用场景受限等瓶颈问题提供了新思路。这一成果不仅拓展了MXene纳米材料在人工肌肉领域应用的知识边界，也为二维纳米材料的组装与应用研究提供了新方向。该工作得到国家杰出青年科学基金（52125302）、科技部重点研发计划（2021YFA0715700）、原创探索计划项目（52350012）、国家自然科学基金面上项目（22075009）及新基石科学基金会所设立的科学探索奖的资助。
论文链接：
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adt1560
来源：
1.Wan, S., Li, X., Chen, Y. et al. High-strength scalable MXene films through bridging-induced densification. Science 374, 96-99 (2021).
2.Yang, J., Li, M., Fang, S. et al. Water-induced strong isotropic MXene-bridged graphene sheets for electrochemical energy storage. Science 383, 771-777 (2024).
3.Li, W., Zhou, T., Zhang, Z. et al. Ultrastrong MXene film induced by sequential bridging with liquid metal. Science 385, 62-68 (2024).
4.Wan, S., Chen, Y., Huang, C. et al. Scalable ultrastrong MXene films with superior osteogenesis. Nature 634, 1103-1110 (2024).
5.Fu, J., Li, Y., Zhou, T. et al. Large stroke radially-oriented MXene composite fiber tensile artificial muscles. Sci. Adv. 11, eadt1560 (2025).
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