天然纤维基人工肌肉是当前备受关注的研究方向，因其材料来源广泛、生物相容性好、可生物降解以及独特的刺激响应等特性，成为构建人工肌肉的理想候选材料之一。其核心研究主要围绕材料选择、结构设计与驱动策略的协同创新展开。本节将系统梳理蚕丝、羊毛等蛋白质纤维以及竹原纤维、亚麻、棉纤维等纤维素纤维在该领域的研究现状。

蛋白质纤维人工肌肉

以蚕丝和羊毛为代表的蛋白质纤维，其复杂的三维结构由二硫键等化学键维系，赋予了这类材料优异的力学性能与独特的湿度响应特性。蚕丝的主要成分为丝素蛋白，可通过脱胶、加捻等工艺开发出应变输出优异的湿驱动人工肌肉。羊毛中的角蛋白则凭借大量二硫键与α－螺旋结构，表现出良好的弹性与韧性；独特的鳞片结构和二硫键网络使其具有显著的湿度响应特性，并通过氢键的非对称破坏实现单向扭转，经亲水改性后扭转性能与循环稳定性更为突出。

蚕丝中的丝素蛋白富含规整的β－折叠晶体结构，使其兼具高强度与良好的生物相容性。刘遵峰团队通过脱胶、加捻和合股工艺，构建出自平衡双螺旋丝纤维结构，利用丝素蛋白吸水后氢键断裂引发的构象转变和各向异性膨胀，在湿度刺激下实现了高达547°/mm的扭转角度和70%的线性收缩率（图 1（a）），单位质量做功达73 J/kg。LIN等则采用对折自捻和强力卷取技术制备出柞蚕丝扭转肌肉（图 1（c）），其最高转速为1030 r/min，并通过结构参数调控实现了可编程的湿驱动性能，推进了其在微驱动系统和智能织物中的应用。

羊毛纤维的驱动性能源于其独特的角蛋白结构和表面鳞片，相关研究侧重于通过表面改性和二硫键重构来优化输出性能。PENG等采用等离子体与紫外光处理调控羊毛纤维中二硫键的断裂与重组，利用二硫键的动态重构实现扭矩的稳定与可逆驱动，制备出扭转角度为108°/cm的单螺旋结构人工肌肉，并将其应用于湿度响应型智能纺织品（图 1（b））。LI等通过超声氧化处理破坏羊毛纤维的鳞片层脂质以增强亲水性，结合加捻工艺制备出自平衡双股纱与高捻收缩纱，分别实现66°/mm扭转和42%收缩率，峰值功率密度达320 J/kg。ZHAN等通过在羊毛纱线表面涂覆MXene/CNF复合材料，结合MXene的高光热转换效率与纤维素纳米纤维（CNF）的吸湿性，赋予其湿/光热双响应功能，在近红外光下实现550%伸长与83%收缩，在90%湿度下收缩应力可达2.4MPa，显著拓展了其应用范围。

人发纤维人工肌肉的研究则聚焦于二硫键化学调控与物理定形技术的结合。通过还原－氧化处理实现二硫键动态重构，该化学交联策略可实现从不可逆到完全可逆的驱动行为转变，使扭转型肌肉达到122.4°/mm的旋转角度，同/异手性卷曲结构可分别实现94%收缩和30倍伸长。近期研究人员则开发出一种绿色的加捻－卷绕－蒸汽定形工艺，主要依赖头发纤维的各向异性吸湿膨胀和蒸汽诱导的氢键重构，使人发纤维人工肌肉在水刺激下达到100倍拉伸冲程，驱动速率高达500%/s，并具备优异的循环耐久性（图 1（d））。该研究为软体机器人和自适应设备提供了新型驱动方案。

图1 蛋白质纤维人工肌肉

纤维素纤维人工肌肉

纤维素纤维主要包括棉、麻等天然植物纤维和粘胶纤维等再生纤维素纤维。棉纤维中纤维素含量超过90%，吸湿性好，回潮率约8.5%，吸湿后显著膨胀并产生驱动应力，其响应速度受纤维结构和环境湿度影响，广泛用于湿度响应致动器与智能纺织品中。亚麻、竹原纤维等因具有良好的力学性能与亲水性也备受关注，但需经过表面处理以提升响应灵敏度。再生纤维素纤维如粘胶纤维，原料来自天然纤维素，成分纯净、形态均匀，具备湿度形变能力，适用于智能纺织与柔性传感器等领域。

竹原纤维通过自平衡合股结构结合湿定形机制，在湿度循环中实现可逆的伸缩驱动。这源于纤维吸水后结晶度降低所引发的内应力释放与干燥后的形状固定（图 2（a））。莲花纤维也被用于构建扭转与卷曲型人工肌肉，展现出优异的综合性能，最大扭转角度为200°/mm，转速200 r/min，比扭矩488 mN·m/kg，收缩率达38%，单位质量做功为450 J/kg，在假肢和智能纺织品中具有良好的应用潜力。亚麻纤维被卷绕成弹簧状线圈结构后螺旋结构收缩率为22.5%，做功密度110 J/kg，将其应用于水响应型操纵器（图 2（c）），其双螺旋结构还表现出良好的可逆性与回复稳定性。YANG等通过比较研究表明，通过对棉、毛、麻等天然纤维施加强捻，均可利用其固有的吸湿各向异性和螺旋结构设计制备出湿驱动肌肉（图 2（b）），其中羊毛纤维的收缩动程和做功能力尤为突出，分别达到38%和194 J/kg。

图 2　纤维素纤维人工肌肉

棉纤维因其高纤维素含量和优良的吸湿性而备受关注。通过对折自捻合和优化捻度，可实现720 r/min的扭转速度和42.55°/mm的扭转动程。另一方面，棉纤维通过水凝胶涂层形成皮芯结构，可模仿蜘蛛丝的超收缩机制，即湿度升高时水分子破坏纤维内部取向的聚合物链致其紊乱收缩，使同手性纱线收缩90%，异手性纱线膨胀450%，为开发智能自适应纺织品提供了新途径。

再生纤维素纤维（如粘胶纤维）通过溶解－再生工艺获得了均一的化学结构和形态，在人工肌肉中展现出独特优势。PENG等通过分级结构设计将热牵伸粘胶纤维加捻成双螺旋纱线并结合涤纶芯鞘结构，实现湿驱动下2100 r/min的旋转速度与9%的收缩率，其拓扑编织技术可扩展为二维织物人工肌肉，产生高达25倍自重的弯曲力，适用于智能调温织物或温室遮阳帘。SHENG等进一步通过藤蔓状多级螺旋结构使粘胶基人工肌肉在50次循环后性能无衰减，响应速率提升40%。

综上所述，天然纤维基人工肌肉在材料处理、结构设计和驱动性能等方面均取得显著进展，其驱动机制多与湿度引起的亲水基团作用、微观结构变化及预置应力释放密切相关。为系统比较各类天然纤维的核心特性与驱动应用潜力，将前述典型纤维的关键信息汇总于表 1。未来通过进一步揭示多场耦合下的驱动机理和优化器件集成工艺，有望在软体机器人、智能穿戴及仿生装置等领域实现更广泛的工程应用。

表 1　典型的天然纤维特性及在人工肌肉中的应用潜力

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。