"人工肌肉"、新型超强韧"人造蜘蛛丝"……它们听起来仿佛是天方夜谭，但南开大学化学学院研究员、博士生导师刘遵峰却带领团队将其一一变成了现实。2019年，《科学》等国际权威期刊发表了他的多项研究成果。近期，他表示目前人工肌肉软体机器人的研究已接近尾声，成果即将对外发布。

刘遵峰，南开大学化学学院研究员、博士生导师。致力于先进功能高分子材料的制备、结构与性能研究，研发出人工肌肉、人造蜘蛛丝、弹性导体等多种高性能柔性智能高分子材料。致力于新型纳米材料及先进碳复合材料的研究工作。在世界顶级期刊发表论文近50篇。主持多项国家自然科学基金，其研究成果"大形变导电弹性体"被《Discovery Magazine》入选2015年度全球Top100重大科学发现。

刘遵峰（右二）展示弹性天线

"我们利用天然纯蚕丝制备了一种新型的人工肌肉纤维，可根据人的体温出汗程度，自动调节衣袖长短；我们研发的超强韧人造蜘蛛丝，当遇到高层火灾时，人们可以使用人造蜘蛛丝制成的绳索缓降自救。这根特殊的绳索可以承受人体重量，缓慢拉伸且不会像橡皮筋一样快速回弹……"

门口挂着漂亮的纱裙，实验台上养着蜘蛛，网兜里吊着鸡蛋……博导刘遵峰的实验室像极了卡通片里怪博士的实验室，到处充满了奇异物品。

1998年，刘遵峰考入南开大学化学系，他的化学人生从此启程。"我对未知世界充满好奇。"刘遵峰说，新型高分子功能材料研究，就是在探索世界的奥秘。

人造肌肉

如果有件智能衣服，可以感知皮肤表面湿度，出汗时长袖变为短袖，汗干后又恢复如初，那将多么神奇。如今，这一设想已经成为可能。刘遵峰教授团队研获了一种绿色环保的纯蚕丝"人工肌肉"，可通过感知湿度实现自动伸缩。这种新型"人造肌肉"，不仅可以用于智能织物，在柔软机器人研发领域也将大有可为。介绍该成果的论文发表于材料领域国际权威期刊《先进功能材料》(Advanced Functional Materials)上。

蚕丝"人工肌肉"纤维制备流程示意图

如今，人们在智能纺织品的开发方面取得了不错的进展，制造出来的纺织品具有能量储存、自清洁、颜色变化、温度和湿度调节等新型功能。"如果纺织品能够对湿度响应，通过调节宏观形状或孔隙率实现水分和热量管理，将会为人们提供更多的舒适体验。这一设想，引起了我们极大的兴趣。"刘遵峰教授说。

湿度增加后，蚕丝"人工肌肉"纤维编织的玩偶上衣衣袖缩短至一半，湿度降低后复原

人工肌肉可以模拟人类、动物的肌肉进行一定的运动，在医学、航空航天等领域具有广泛的应用前景。然而，此前制备人工肌肉纤维的材料主要采用纳米碳材料等，用作衣料的话造价昂贵、工艺复杂、舒适性差。为此，他们独辟蹊径，利用天然纯蚕丝代替传统纳米碳材料，不使用化学修饰和添加剂，通过常规工业流程来制作智能衣物。

该研究受国家自然科学基金、天津市自然科学基金、南开大学相关计划资助。

人造蜘蛛丝

好莱坞科幻影片中，超级英雄"蜘蛛侠"能够穿梭于摩天大厦之间或缓慢降至地面而毫发无损，全凭双腕喷射的神奇"蜘蛛丝"。刘遵峰团队的研究，使这一科学幻想有望走进现实。团队使用水凝胶纤维成功制备出了新型超强韧"人造蜘蛛丝"，它强度高、慢回弹、可重复伸缩，未来或将用于高空缓降等多领域，这种新材料可以达到与天然蜘蛛丝几乎相当的力学性能。介绍该成果的论文在线发表于国际知名学术期刊《自然-通讯》（Nature Communications）上。

自然界中的蜘蛛丝具有强大的机械性能，它表现出极高的抗拉强度（高达1.4GPa）。但是，通常的金属丝或凯夫拉纤维几乎不可伸长，而蜘蛛丝可伸长到约40%，在高湿的度环境下可伸长5倍。刘遵峰介绍说，除了没有反弹外，人们几乎看不到蜘蛛悬空身体旋转，这意味着蜘蛛丝还可以吸收扭转旋转能量。

"人们已经尝试用蚕丝蛋白来制作人工蜘蛛丝，并取得了一定的成功，但这种方法很难规模化放大。使用合成方法，制备能模仿蜘蛛丝的上述特性，仍然是一个难题。"刘遵峰说。

经过反复试验，刘遵峰团队采用了一种非常简单的方法，成功使用水凝胶纤维制备出了"人造蜘蛛丝"。这种新材料达到与天然蜘蛛丝几乎相当的力学性能。

"扭热制冷"

更加高效、节能、绿色、便携的制冷方式是人类不懈探索的方向。去年10月，《科学》（Science）杂志刊文，报道了中国南开大学与美国德克萨斯州立大学达拉斯分校的一支国际联合研究团队研获的一种柔性制冷新策略——"扭热制冷"。他们发现，改变纤维内部的捻度可以实现降温。由于制冷效率更高、体积更小且适用于天然橡胶、钓鱼线以及镍钛合金等多种普通材料，基于这种方法制成的"扭热冰箱"也变得前景可期。

用于"扭热制冷"的钓鱼线

使用橡皮筋进行"弹性制冷"，需要将其拉伸至自身长度的6到7倍，然后缩回去。这意味的制冷需要很大的体积。而且，目前"弹性制冷"的卡诺效率比较低，通常只有约32%。能否开发出新的方法进行制冷，实现提高效率、减小体积是困扰科研人员的难题。

研究人员将纤维状的橡胶弹性体两端固定，然后从一端旋转加捻，使其形成一种超螺旋结构。将橡胶纤维拉长一倍（100%应变），随后快速释放。研究人员发现，该橡胶纤维的温度可降低15.5摄氏度。

"这一结果高于使用'弹热制冷'技术的降温：拉长7倍的橡胶收缩降温为12.2摄氏度。如果将伸长和加捻均释放，该'扭热制冷'降温可达16.4摄氏度。"刘遵峰说，获得相同降温效果的情况下，"扭热制冷"的体积仅为"弹热制冷"的2/7，"扭热制冷"的卡诺效率可达67%。

南开大学·刘遵峰团队

"做科研，我不跟风追热点，最喜欢的就是创新，希望通过创新性研究改变人类的未来生活。"刘遵峰说，这是他一贯坚持的原则。"下一步，我们将继续完善已有的几个项目，同时也会进一步推动新的研发，使它们能够进入人们的生活。"在探索世界、改变世界的道路上，刘遵峰将继续一路向前。

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文章素材来自：南开大学化学学院官微、科技日报、南开大学刘遵峰团队官网