蠶絲一直是高檔服裝面料的原材料，也逐漸被應(yīng)用在生物工程、柔性傳感器、光學(xué)存儲、柔性電子器件和軟質(zhì)驅(qū)動器等高新技術(shù)領(lǐng)域。然而，天然蠶絲不規(guī)則的形貌、結(jié)構(gòu)以及個體間的性能差異十分明顯，極大地限制了蠶絲在高新技術(shù)領(lǐng)域中的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。為了改善蠶絲材料的形貌和性能，再生紡絲、添食改性、注射金屬離子、基因編輯以及人工強制抽絲等方法應(yīng)運而生。其中，人工強制抽絲技術(shù)已被證明是獲得高性能蠶絲的理想方法，但如何緩解或消除抽絲過程中桑蠶的抵抗行為并獲得性能優(yōu)良的蠶絲仍是一個巨大的挑戰(zhàn)。
為解決這一問題，浙江理工大學(xué)研究團隊創(chuàng)造性地開發(fā)了一種多模式、快速離心抽絲的方法，制備出了高強、高模、高韌蠶絲（CRS）。該方法的抽絲速度可達自然吐絲的6倍以上，收集的CRS具有優(yōu)異的斷裂強度，可媲美蜘蛛絲。
受蜘蛛懸空吐絲啟發(fā)的多模式離心抽絲策略啟發(fā)，該團隊設(shè)計了角度可調(diào)節(jié)的圓錐載體用于支撐蠶體，以在近似懸空狀態(tài)下對吐絲桑蠶進行抽絲；同時利用桑蠶在自然結(jié)繭過程中的間歇性吐絲現(xiàn)象，進行間斷式抽絲，即連續(xù)抽取一定時間后，停止抽絲操作，使桑蠶獲得充分的時間以適應(yīng)抽絲過程；最后，可以通過轉(zhuǎn)動圓錐載體和增加吐絲桑蠶的數(shù)量一步法制備蠶絲紗線（CRSY）。
研究發(fā)現(xiàn)，非頭端固定抽絲和間斷抽絲有利于緩解桑蠶在強制抽絲時的抵抗行為，采用間斷抽絲獲得的蠶絲在第一次斷裂時的長度明顯長于連續(xù)抽取收集的蠶絲，可作為量化桑蠶抵抗行為的重要指標(biāo)。
研究人員對比了CRS與繭絲（CS）、頭部固定強拉伸絲、蜘蛛絲、棉以及羊毛的斷裂強度、韌度和楊氏模量。結(jié)果表明，與繭絲相比，CRS的斷裂伸長提升約50%，斷裂強力提升約5%~15%，韌度為（121.07±35.31）MJ/m3，楊氏模量為（27.72±12.61）GPa；其最大斷裂強度可達1.45GPa，是天然繭絲的3倍。繼續(xù)增加吐絲桑蠶數(shù)量，當(dāng)圓錐載體轉(zhuǎn)動時，可以實現(xiàn)從蠶絲到紗線的一步制備，當(dāng)出現(xiàn)斷絲或者蠶不再吐絲時，通過捻搓的形式補添吐絲桑蠶，實現(xiàn)蠶絲紗線的連續(xù)制備。
除優(yōu)良的力學(xué)性能外，CRS還具有快速扭轉(zhuǎn)恢復(fù)性能，且多次循環(huán)后仍能保持良好的恢復(fù)效果，是優(yōu)秀的微驅(qū)動器材料?；贑RSY的氣動軟質(zhì)驅(qū)動器可以執(zhí)行預(yù)設(shè)的動作，包括收縮、伸長和彎曲，且能夠承擔(dān)極高的載荷，充分展示了CRSY在人工肌肉、軟質(zhì)驅(qū)動器及軟體機器人領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。
相關(guān)成果以“High-performance artificially reeled silkworm silk via a multi-task and high-efficiency centrifugal reeling technique and its application in soft actuators”為題發(fā)表在《Materials Horizons》上。
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