近年来，随着可持续发展理念的深入，天然纤维基人工肌肉已成为备受关注的新兴方向。棉、蜘蛛丝、蚕丝、亚麻等天然纤维展现出独特的资源优势，其分布广泛、成本低廉，主要化学组成为天然高分子，具备优良的生物相容性与可降解性；微观结构呈现明显的各向异性，纤维轴向与径向的分子排列差异形成了力学各向异性。这些固有性质，尤其是吸湿膨胀与结构各向异性，为开发环境友好型人工肌肉提供了材料基础。

图 1　制备人工肌肉的典型材料

本节将系统阐述天然纤维基人工肌肉的驱动机制、制备方法、性能表征及其内在联系，为后续研究奠定理论基础。天然纤维基人工肌肉的驱动性能源于其独特的化学组成和多级结构，以及它们与外界刺激的相互作用。其驱动机制主要涉及分子层面、微观结构和宏观传动 3 个尺度，共同构成了从微观分子运动到宏观机械运动的完整传递链。

分子层面

在分子层面，天然纤维的驱动源于大分子链对环境刺激的动态响应，取决于其大分子链上丰富的刺激响应性官能团。氢键的可逆重构，是蚕丝、纤维素纤维等绝大多数天然纤维的核心驱动机制（图 2（a）和图 2（b））。其纤维大分子链上富含亲水官能团，当湿度升高时，水分子渗透进入纤维无定形区，与亲水基团发生作用，破坏原有的氢键网络，使纤维发生溶胀和体积膨胀。当湿度降低时，水分子逸出，新的氢键网络形成，分子链重新被固定，纤维收缩恢复到原始状态。这种因湿度变化引起的吸湿膨胀与解吸收缩是可逆的，为循环驱动提供了基础。南开大学JIA等相关研究已证实蚕丝基人工肌肉的优异驱动性源于蚕丝纤维吸水后诱导蛋白内氢键的损失以及相关的结构转化。而羊毛、人发等角蛋白纤维的驱动机制则依赖二硫键的动态化学变化（图 2（c）和图 2（d））。在角蛋白纤维中，二硫键作为强共价交联点，可通过还原－氧化处理或超声、等离子体等手段进行可控断裂和重组，实现驱动的可逆性调控和形状记忆效应。江南大学PENG等研究表明，通过调控羊毛中二硫键的断裂与重组，可制备高性能湿度响应人造肌肉。这一动态化学机制使其在需要精确控制的应用场景中具有特殊价值。

图 2　天然纤维型人工肌肉制备原理与驱动模式

微观结构

单纯的纤维溶胀和收缩并不足以产生强大且可控的机械功，而将微观的体积变化转化为宏观的、有力的线性收缩或扭转运动则可以实现这一目标。天然纤维并非各向同性体，其独特的微观结构是将分子级运动放大为宏观形变的关键环节（图 3 （a）和图 3 （b）），各向异性吸湿膨胀特性是这一放大过程的物理基础。天然纤维中原纤的取向排列以及结晶区与非晶区的交替分布，形成的多层次不对称结构导致水分子的侵入和氢键的破坏在径向和轴向存在明显差异。彭阳阳研究表明，通过对粘胶纤维施加热环境下的应力牵伸处理，诱导纤维晶区取向度提高，有助于增强纤维体积湿膨胀的各向异性特征，优化其驱动性能。

宏观传动

单一纤维的各向异性膨胀所能实现的线性伸缩十分有限，要实现大幅、高性能的驱动，关键在于通过先进的制备工艺，赋予纤维特定的宏观结构。首先是捻曲/螺旋结构，主要通过对单根纤维或纱线进行高度加捻，使其内部产生扭应力，从而构成扭转型人工肌肉。当湿度增加时，纤维径向膨胀试图解捻，但由于两端固定，其内部应力只能通过整体旋转或轴向收缩来释放。进一步发展的自平衡双股螺旋结构则是通过将两股捻向相反的纤维合股，实现了扭矩的内部平衡，从而制得无需外部固定的自支撑型人工肌肉（图 3 （c））。而卷曲/线圈结构，是将加捻后的纤维进一步缠绕在芯轴上定形，形成类似弹簧状的紧密线圈结构（图 3（d））。湿度增加时，纤维径向膨胀使得线圈直径增大，线圈的螺距相应显著减小，从而在线圈轴向上产生大幅收缩，实现类似“弹簧压缩”的大冲程线性驱动。这种结构设计巧妙地将微小的径向膨胀转化为显著的轴向收缩，实现了机械运动形式的转换和放大，为需要大行程线性运动的应用提供了理想解决方案。

图 3　天然纤维型人工肌肉结构设计与制备

更多内容，请关注纺织导报2026年第2期“天然纤维基人工肌肉的研究进展”一文。