类弹簧蛋白质纤维及其应用的制作方法

range,ieee sensors letters 1(6)(2017)1-4.


技术实现要素：

11.经过大量研究实验，发明人开发了一种类弹簧蛋白质纤维，其具有四向响应性，可作为由湿度驱动的四向响应的自供电人造肌肉。更有利地，该类弹簧蛋白质纤维还具有集水功能，可作为烟雾收集器和水滴运输器。
12.因此，在第一方面，本公开提供一种类弹簧蛋白质纤维，其包括：螺旋状蛋白质纤维和包裹所述螺旋状蛋白质纤维的多巴胺涂层。
13.优选地，上述类弹簧蛋白质纤维呈顺时针缠绕的双股双绞线形式或逆时针缠绕的双股双绞线形式。
14.优选地，上述类弹簧蛋白质纤维的一端或两端打结。
15.优选地，蛋白质纤维为天然蛋白质纤维或人造蛋白质纤维，优选蛋白质纤维为天然蛋白质纤维，选自丝心蛋白质纤维、胶原蛋白质纤维、弹性蛋白质纤维、节枝弹性蛋白质纤维和角蛋白质纤维。
16.优选地，上述天然蛋白质纤维来源于哺乳动物毛发，优选人类头发。
17.优选地，所述多巴胺涂层由聚多巴胺构成，所述多巴胺涂层的厚度为1纳米-100纳米。
18.在第二方面，本公开提供上述类弹簧蛋白质纤维的制备方法，包括：1)处理原始蛋白质纤维，获得螺旋状蛋白质纤维；2)在螺旋状蛋白质纤维上施加多巴胺涂层。
19.优选地，在步骤1)中，将原始蛋白质纤维缠绕在棒上，所述棒的形状可为本领域的常规形状，包括圆柱形、椭圆柱形等，优选为圆柱形，棒的直径优选在10微米～5毫米的范围内。
20.优选地，原始蛋白质纤维以等间距顺时针或逆时针缠绕在棒上，间距优选为10微米～2厘米。
21.优选地，在步骤1)中，用碱性溶液处理经缠绕的原始蛋白质纤维，所述碱性溶液为本领域常用碱性溶液，包括氨溶液、naoh溶液、naco3溶液或它们的组合，优选为氨溶液。碱性溶液的浓度优选为0.1～2m，ph值优选为7～14。
22.优选地，所述碱性溶液处理在80至200摄氏度的温度下进行1分钟至1小时，例如在200℃下进行30分钟。
23.优选地，所述多巴胺涂层通过将螺旋状蛋白质纤维浸入多巴胺溶液中获得，所述多巴胺溶液的浓度优选为1％～35％。
24.优选地，螺旋状蛋白质纤维的浸入温度优选为50至100摄氏度，浸入时间优选为1分钟至60分钟。
25.在第三方面，本公开提供上述类弹簧蛋白质纤维作为烟雾收集器和水滴运输器的应用。
26.在第四方面，本公开提供一种仿生驱动器，其包括上述类弹簧蛋白质纤维。
27.在一个实施方案中，上述仿生驱动器由湿度变化驱动。
28.在一个实施方案中，上述仿生驱动器用作人造肌肉。
29.在第五方面，本公开提供一种压力传感器，其包括：上述类弹簧蛋白质纤维和包裹
上述类弹簧蛋白质纤维的聚吡咯涂层；以及拱形结构物。
30.在一个实施方案中，上述拱形结构物为薄膜，选自金属薄膜、陶瓷薄膜、塑料薄膜、纸薄膜和复合材料薄膜。
31.在第六方面，本公开提供一种电子皮肤，其包括：上述类弹簧蛋白质纤维和柔性基底。在一个实施方案中，上述柔性基底是水凝胶。
32.在第七方面，本公开提供一种超级电容器，其包括上述类弹簧蛋白质纤维、聚吡咯涂层和h2so
4-pva涂层。
33.在第八方面，本公开提供上述超级电容器的制备方法，包括：1)处理原始蛋白质纤维，获得螺旋状蛋白质纤维；2)在螺旋状蛋白质纤维上施加多巴胺涂层，获得类弹簧蛋白质纤维；3)在类弹簧蛋白质纤维上施加聚吡咯涂层；4)然后，施加pva-h2so4涂层，制得超级电容器。
附图说明
34.图1示出了具有多巴胺涂层的双股双绞蛋白质纤维的制备流程以及由蛋白质纤维制备的烟雾收集器和水滴运输器、生物传感器和超级电容器的示意图。
35.图2a至图2d显示了sem图像和表面接触角：涂覆多巴胺之前(图2a、图2b)和之后(图2c、图2d)的头发形态及其表面张力。图2e显示了原始头发(sh)、氨水处理过的头发(ahh)和多巴胺处理的头发(pdsh)的ftir-atr光谱。
36.图3a和图3b显示了原始头发(sh)和多巴胺处理的头发(pdsh)的拉伸性能，应变速率分别为0.25/s(图3a)和0.025/s(图3b)。图3c显示了不具有多巴胺涂层的螺旋状头发纤维(ch)和具有多巴胺涂层的螺旋状头发纤维(pdch)在0.25/s的应变速率下的应力-应变曲线。图3d显示了线性弹性区域内的ch和pdch的应力-应变曲线。图3e显示了sh和pdsh在0.25/s的应变速率下的回应变性能。
37.图4显示了顺时针缠绕的双股双绞纤维(a-b)和逆时针缠绕的双股双绞纤维(a b)的制备流程。
38.图5a至图5c显示了顺时针缠绕的双股双绞纤维(a-b)、逆时针缠绕的双股双绞纤维(a b)、具有多巴胺涂层的a-b(a-b-pd)以及具有多巴胺涂层的a b(a b-pd)在不同相对湿度(r.h.)下的长度变化(δl＝|l-l0|，l0分别是纤维在r.h.为99.0％和11.3％下的原始长度，l是纤维在目标r.h下的长度)以及响应时间。
39.图6a至图6e显示了在具有多巴胺涂层的头发纤维上的水珠运动。图6d中的插图显示了头发表面形态的sem：具有多巴胺涂层(右)和没有多巴胺涂层(左)。
40.图7a和图7b显示了不具有多巴胺涂层的螺旋状人发纤维(ch)和具有多巴胺涂层的螺旋状头发纤维(pdch)响应于湿度变化的长度变化(δl)。图7c显示了pdch作为仿生驱动器进行的类蠕虫运动。
41.图8a和图8b显示了顺时针缠绕的双股双绞纤维(a-b)和逆时针缠绕的双股双绞纤维(a b)的四向湿度诱导的形状记忆行为。
42.图9a至图9c显示了顺时针缠绕的双股双绞纤维(a-b)和逆时针缠绕的双股双绞纤维(a b)作为人造肌肉响应于湿度变化抬举重物的图。
43.图10a至图10e显示了“a-b”和“a b”作为人造肌肉响应于湿度变化的运动，以及该
人造肌肉在举重假肢和模拟章鱼中的应用。
44.图11a显示了由具有聚吡咯涂层和多巴胺涂层的螺旋状头发纤维以及具有拱形结构的纸薄膜组成的压力传感器。图11b显示了压力传感器响应于手指压力而产生的相对电阻变化，总电阻变化＝(r1-r0)/r0，其中r0和r1分别是施加力之前和之后的电阻。图11c显示了液滴滴落在压力传感器上时的响应信号，箭头表示液滴在传感器上滴落的时间。
45.图12a显示了生物传感器(电子皮肤)响应于手指弯曲的电阻变化。图12b显示了手动弯曲“v”形电子皮肤或拉伸矩形电子皮肤时led的亮度变化。图12c显示了生物传感器嵌入式电子皮肤的示意图。
46.图13a显示了ppy-h2so
4-pva纤维复合超级电容器的循环伏安(cv)曲线，扫描速率为0.4mv。图13b显示了ppy-h2so
4-pva纤维复合超级电容器的恒电流充放电(gcd)图，扫描速率为0.4mv。图13c显示了ppy-h2so
4-pva纤维复合超级电容器的z”与z’。图13d显示了ppy-h2so
4-pva纤维复合超级电容器的lg lzl与lg“频率”图。图13e显示了ppy-h2so
4-pva纤维复合超级电容器的ragone图。图13f显示了ppy-h2so
4-pva纤维复合超级电容器的制备流程。
具体实施方式
47.除非另有定义，否则本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属领域的普通技术人员的通常理解相同的含义。
48.在本文中，术语“包含”、“具有”、“包括”和“含有”应被解释为开放式术语(即意味着“包括但不限于”)。
49.在本文中，术语“双向响应”是指当湿度降低时(干燥条件)，人造肌肉只能实现拉伸响应或收缩响应之一；同样地，当湿度升高时(潮湿条件)，人造肌肉只能实现拉伸响应或收缩响应之一。
50.在本文中，术语“四向响应”是指当湿度降低时(干燥条件)，根据缠绕方式不同(顺时针或逆时针)，人造肌肉既可以实现拉伸响应，也可以实现收缩响应；同样地，当湿度升高时(潮湿条件)，根据缠绕方式不同(顺时针或逆时针)，人造肌肉既可以实现拉伸响应，也可以实现收缩响应。
51.在本文中，术语“弹簧”具有本领域中通常的含义，具有通过弹性形变存储机械势能的特点。
52.在一个实施方案中，类弹簧蛋白质纤维包括：螺旋状蛋白质纤维和包裹所述螺旋状蛋白质纤维的多巴胺涂层。该类弹簧蛋白质纤维是由湿度驱动的自供电纤维，具有四向响应性。因此，该类弹簧蛋白质纤维可作为四向响应人造肌肉。此外，该类弹簧蛋白质纤维还具有循环举重、储能、仿生蠕动、集水和/或传感功能。
53.在一个实施方案中，本公开的类弹簧蛋白质纤维的制备方法包括：1)处理原始蛋白质纤维，获得螺旋状蛋白质纤维；2)在螺旋状蛋白质纤维上施加多巴胺涂层。在一个实施方案中，在步骤1)中，用碱性溶液处理原始蛋白质纤维。在一个实施方案中，上述碱性溶液处理在80至200摄氏度的温度下进行。在一个实施方案中，在用碱性溶液处理之前，将原始蛋白质纤维缠绕在棒上。在一个实施方案中，棒为圆柱形或椭圆柱形，优选为圆柱形，棒的直径优选在10微米～5毫米的范围内。在一个实施方案中，将原始蛋白质纤维等间距顺时针或逆时针缠绕在圆柱形棒上。
54.在一个实施方案中，原始蛋白质纤维可包括天然蛋白质纤维或人造蛋白质纤维。天然蛋白质纤维例如丝心蛋白质纤维、胶原蛋白质纤维、弹性蛋白质纤维、节枝弹性蛋白质纤维和角蛋白质纤维。人造蛋白质纤维通过用某些天然蛋白质纤维做原料，经人工加工处理而获得。
55.在一个实施方案中，天然蛋白质纤维可来源于哺乳动物毛发，例如山羊毛、山羊绒、骆驼绒、兔毛、牦牛绒、马海毛、羊驼毛、骆马毛、原驼毛、藏羚羊绒、貂毛、水獭毛、马鬃、猪鬃、羽毛或人类毛发。在一个优选的实施方案中，天然蛋白质纤维为人类毛发。在一个更优选的实施方案中，天然蛋白质纤维为人类头发。作为天然蛋白质纤维之一，人类头发是一种基于角蛋白的蛋白质(角蛋白占其重量的65-95％)且为具有层次结构的细丝。人类头发具有优异的物理特性，例如重量轻、柔韧性好和长期的机械耐用性，并且具有稳定的生物学特性，例如良好的耐化学腐蚀性和生物相容性，尤其适用于作为底物制造人造肌肉。
56.在一个实施方案中，类弹簧蛋白质纤维呈顺时针缠绕的双股双绞线形式或逆时针缠绕的双股双绞线形式，从而可以更好地利用湿度驱动力，实现人造肌肉的功能。发明人发现，多巴胺涂覆可能会导致的一定程度的双股双绞纤维的机械不稳定和解缠绕，通过将纤维的一端或两端打结，可以有利地将这种解缠绕趋势转变为较大的扭转应力，表现为宏观的温度形状变形。因此，在一个优选实施方案中，双股双绞纤维的一端或两端被打结。
57.在一个实施方案中，通过电机驱动旋转单根头发进行加捻。通常，加捻的单根纤维具有一定程度的解捻(解扭转)趋势，这会导致加捻的纤维自身发生重叠。通过在加捻的纤维底部施加重物，使纤维的两个部分在其中点缠绕在一起，从而释放未扭曲的扭矩，达到平衡的扭转。
58.发明人出人意料地发现，在不施加外力驱动的情况下，具有多巴胺涂层的(螺旋状)毛发纤维可以实现水珠的单向运输，从而将雾凝结成水滴。据推测，毛发纤维通过单独或协同利用亲水性梯度和表面能梯度产生驱动力，实现水滴的单向运输和收集。因此，在一个实施方案中，本公开的类弹簧蛋白质纤维可作为烟雾收集器和水滴运输器，实现连续收集周围的雾气并有效地输送水滴。在另一个实施方案中，具有多巴胺涂层的蛋白质纤维可作为烟雾收集器和水滴运输器。
59.在一个实施方案中，本公开的仿生驱动器是由湿度变化驱动的人造肌肉，其包括具有多巴胺涂层的螺旋状蛋白质纤维。
60.在一个实施方案中，本公开的压力传感器包括：螺旋状蛋白质纤维、包裹该螺旋状蛋白质纤维的多巴胺涂层和沉积在多巴胺涂层上的聚吡咯涂层；以及拱形结构物。有利地，多巴胺的粘附性质可使聚吡咯牢固地粘附在其表面。在一个实施方案中，拱形结构物的两个对侧分别与螺旋状蛋白质纤维的两端相连接，使得施加在拱形结构物上的压力被转化为螺旋状蛋白质纤维的伸长率。拱形结构物可为任意形状，只要能形成拱形结构即可。在一个实施方案中，拱形结构物为薄膜，选自金属薄膜、陶瓷薄膜、塑料薄膜、纸薄膜和复合材料薄膜。在一个实施方案中，拱形结构物为纸薄膜。使用纸薄膜不仅可以提供相对平坦和宽的平台来容纳压力源，而且还易于变形，从而提高了传感器的灵敏度。
61.在一个实施方案中，本公开的电子皮肤包括：螺旋状蛋白质纤维、包裹该螺旋状蛋白质纤维的多巴胺涂层和柔性基底。通过将本公开的压力传感器嵌入柔性基底中，可以获得拉伸性较好的电子皮肤。可以根据实际需要将电子皮肤制成任何形状。
62.在一个实施方案中，柔性基底为聚合物弹性体、气凝胶或水凝胶。在一个实施方案中，柔性基底为水凝胶。用水凝胶作为基底的电子皮肤具有良好的透气性。在一个实施方案中，水凝胶为合成高分子水凝胶或天然高分子水凝胶。在一个实施方案中，水凝胶为合成高分子水凝胶，选自：丙烯酰胺及其衍生物的均聚物和共聚物、丙烯酸及其衍生物的均聚物和共聚物、聚乙烯醇和聚磷腈。在一个实施方案中，水凝胶为天然高分子水凝胶，选自：壳聚糖、葡聚糖、瓜胶、胶原和蛋白质。在一个优选实施方案中，电子皮肤包括聚丙烯酰胺水凝胶。聚丙烯酰胺水凝胶基底的电子皮肤具有更好的空气渗透性和水渗透性。
63.此外，为了增强柔性基底与嵌入式电极之间的界面粘合性，借助预制的3d打印的聚乳酸(pla)模具，将多巴胺涂层包裹的螺旋状头发纤维与柔性基底(例如聚丙烯酰胺水凝胶)组装，形成透明、灵活且可穿戴的电子皮肤。
64.在一个实施方案中，本公开的超级电容器包括：螺旋状蛋白质纤维、包裹该螺旋状蛋白质纤维的多巴胺涂层、沉积在多巴胺涂层上的聚吡咯涂层和最外层的h2so
4-pva涂层。
65.在一个实施方案中，本公开的超级电容器的制备方法包括：1)处理原始蛋白质纤维，获得螺旋状蛋白质纤维；2)在螺旋状蛋白质纤维上施加多巴胺涂层，获得类弹簧蛋白质纤维；3)在类弹簧蛋白质纤维上施加聚吡咯涂层；4)然后，施加pva-h2so4涂层，制得超级电容器。
66.在一个实施方案中，用pva/h2so4溶液掺杂具有聚吡咯(ppy)涂层和多巴胺涂层的螺旋状头发纤维，然后利用pva的粘合剂性质使两条掺杂的头发纤维粘合在一起，组装成ppy-h2so
4-pva纤维复合超级电容器。
67.下面结合附图和实施例对本公开作进一步详细的说明。以下实施例仅用于说明本公开而不用于限制本公开的范围。实施例中未注明具体条件的实验方法，系按照本领域已知的常规条件，或按照制造厂商所建议的条件进行操作。
68.实施例
69.在实施例中使用的材料如下：
70.头发取自当地的美发沙龙。氢氧化铵购自fisher，无需进一步纯化。多巴胺购自sigma-aldrich，无需进一步纯化。丙烯酰胺(am)购自上海湛运化工有限公司。过硫酸铵(aps)、n,n,n’,n
’‑
四甲基乙二胺(temed)和n,n
’‑
亚甲基双(丙烯酰胺)(mba)购自sigma-aldrich。塑料棒购自零售店。乙醇和丙酮购自fisher。所有化学品未经进一步纯化即可使用。
71.实施例1：具有多巴胺涂层的蛋白质纤维
72.在本实施例中，以人类头发为例，研究多巴胺涂层对蛋白质纤维的性能的影响。
73.首先，将由当地美发沙龙获取的人类头发浸入丙酮中1分钟，接着浸入乙醇中1分钟，去除表面脂肪物质，并用去离子水洗涤3次。然后，在碱性条件下用多巴胺溶液浸泡原始头发，获得具有多巴胺涂层的头发纤维(pdsh)。
74.sem表征：通过jeol-5900扫描电子显微镜检查了多巴胺涂覆的头发纤维的表面特性。作为对照组，还拍摄了原始头发的sem图像以进行比较。如图2a所示，由扫描电子显微镜(sem)可以观察到原始头发表现出清晰的周期性谷壳鳞片。多巴胺在毛鳞片上聚合后，多巴胺层具有许多片状结构(图2c和图2a)，这有助于导电聚吡咯(ppy)的沉积。
75.ftir表征：在nicolet is10 ftir光谱仪上进行ftir衰减的全反射(atr)，每个样
品进行64次扫描，分辨率为4。图2e表明，多巴胺(pd)已经沉积在头发表面。
76.接触角测试：在测试之前，清洗头发样品。首先用丙酮和乙烷洗涤，然后用超纯水冲洗。在接触角测试中，选择去离子水作为液体介质。当固体和液体之间的相互作用被吸引时，接触角较小(θ《90
°
)。当接触角较大(θ》90
°
)时，表明两者排斥。为了评估多巴胺涂覆后头发的润湿性(亲水性)，测量了多巴胺涂覆之前和之后的接触角。结果显示，接触角由涂覆前的133.2
°
(图2b2)降低至涂覆后的79.9
°
(图2d2))，表明多巴胺涂覆显著改善了头发的亲水性。
77.强度测试：为了评估和比较经多巴胺改性和未经改性的头发纤维的机械性能，制备了标称长度为2cm的具有多巴胺涂层的头发纤维，以及标称长度为2cm的没有多巴胺涂层的对照组。在通用拉伸测试仪(instron 5965)上，使用500n称重传感器以30mm/min和300mm/min的应变速率测定拉伸性能。在循环拉伸试验中，以15mm/min的应变速率进行测试。负载-拉伸参数由仪器软件给出。
78.此外，如图3a和图3b所示，应变-应力曲线表明，多巴胺涂覆延长了原始头发(sh)的屈服后区域，因此提高了拉伸强度和断裂应变。多巴胺涂覆使头发的韧性从21.09mpa增加到30.67mpa，表明具有多巴胺涂层的头发具有更大的能量。多巴胺涂覆使头发的杨氏模量从2.22gpa降低到1.96gpa(降低了11.7％)，表明多巴胺处理提高了头发的弹性。多巴胺涂覆使头发的回弹力从0.35mpa降低到0.21mpa，表明多巴胺处理降低了头发吸收的弹性能。
79.经多巴胺处理的头发的卸荷曲线中存在较大的残余应变，这表明多巴胺处理会导致较大的不可逆变形(图3e)。
80.为了评估恢复性能，将原始头发和多巴胺处理的头发拉伸至20％应变，然后释放负荷。恢复后多巴胺处理的头发保持0.07应变(mm/mm)；而原始头发具有0.10的残余应变(图3e)。此外，多巴胺处理的头发的最大应力为3748kpa，而原始头发的最大应力为3039kpa，这进一步证明了多巴胺涂层可以增强头发的弹性和强度。
81.上述结果表明，多巴胺处理可软化头发并提高头发的韧性和弹性，改善头发的耐久性。
82.实施例2：具有多巴胺涂层的螺旋状蛋白质纤维
83.首先，将由当地美发沙龙获取的人类头发浸入丙酮中1分钟，接着浸入乙醇中1分钟，去除表面脂肪物质，并用去离子水洗涤3次。然后，将头发缠绕在直径为1.4mm的圆柱形塑料棒上以获得类似弹簧的形状，并用氨蒸汽进行高温(约200℃)熏蒸20分钟来固定形状。然后，用去离子水洗涤3次，去除表面残留的化学物质，获得螺旋状头发纤维。然后，将固定的螺旋状头发纤维浸入浓度为2mg/ml的多巴胺溶液中过夜，获得具有多巴胺涂层包裹的螺旋状头发纤维。
84.以与实施例1中所述相同的测试方法，研究了不具有多巴胺涂层的螺旋状头发纤维(ch)和具有多巴胺涂层的螺旋状头发纤维(pdch)在0.25/s的应变速率下的应力-应变曲线，结果示于图3c。ch首先表现出应力的缓慢增长并伴随着较大的噪音，这代表了弹簧的特性；然后ch表现出了应力的快速增长而几乎没有噪声，这反映了羊毛的特性(图3d)。多巴胺处理降低了弹性区域中螺旋状头发纤维的弹性系数(图3c)。此外，经过多巴胺处理的pdch的弹性能势和韧性均提高：弹性势能从0.021j增加到0.028j，提高了33.3％，韧性从
47.07mpa增加到77.19mpa，提高了64.0％。
85.上述结果表明，多巴胺处理可以显著改善螺旋状蛋白质纤维的弹性和韧性。
86.实施例3：具有多巴胺涂层的双股双绞蛋白质纤维
87.首先，将由当地美发沙龙获取的人类头发浸入丙酮中1分钟，接着浸入乙醇中1分钟，去除表面脂肪物质，并用去离子水洗涤3次。然后，在碱性条件下用多巴胺溶液浸泡原始头发，获得具有多巴胺涂层的头发。
88.接着，如图4所示，将多巴胺改性的头发纤维的一端固定在电动机的尖端，另一端负载20g的砝码。将整个头发纤维悬挂在电动机和砝码之间，通过电机驱动旋转单根头发进行加捻。在加捻过程中，纤维不断缩短。然后通过在纤维中点弯曲将扭曲的单根纤维折叠到自身上，获得缠绕的合股纤维。然后，在合股纤维的一端(中点弯曲端的另一端，红色十字标记)打结以避免松动。也可以在合股纤维的两端均打结。如此获得的缠绕的双股双绞样品的长度约为单根头发原始长度的三分之一。然后，将打结的合股纤维顺时针(a-b)或逆时针(a b)缠绕在直径为1.4mm的圆柱形塑料棒上，并浸入沸腾的氨水中浸泡20分钟，再用氨蒸汽熏蒸20分钟。然后，用去离子水洗涤3次，去除表面残留的化学物质。由此获得具有多巴胺涂层的顺时针缠绕的双股双绞纤维(a-b)和逆时针缠绕的双股双绞纤维(a b)。
89.研究了多巴胺涂层对“a-b”和“a b”缠绕的合股纤维的性能影响。如图5所示，多巴胺涂层明显增加了“a-b”和“a b”缠绕的合股纤维在不同r.h.下的长度变化δl。
90.实施例4：烟雾收集器和水滴运输器
91.在本实施例中，研究了水珠在具有多巴胺涂层的头发纤维上的运动。将多巴胺改性的头发纤维以不同的倾斜角度小心地固定在样品台上。用超声波加湿器在室温约20℃时产生相对湿度为90％的雾流。将加湿器设置为水平吹向头发纤维。整个过程由佳能相机记录。
92.如图6a所示，在具有多巴胺涂层的头发纤维上，水滴以一定的倾斜角在头发表面上逆着毛鳞移动。如图6b所示，雾气凝结形成微小水珠，然后微小水珠汇聚形成水滴。如图6c所示，水滴逆向毛鳞移动，并逐渐合并成更大的水滴。随着微小的液滴以粗糙度梯度的表面鱼鳞状比例结合，水滴开始有方向性地运动。
93.上述结果表明，在不施加外力驱动的情况下，具有多巴胺涂层的头发纤维可以实现水珠的单向运输，从而将雾凝结成水滴，因此可作为烟雾收集器和水滴运输器。
94.实施例5：仿生驱动器
95.在本实施例中，研究了实施例2中制备的具有多巴胺涂层的螺旋状头发纤维(pdch)以及实施例3中制备的顺时针缠绕的双股双绞纤维(a-b)和逆时针缠绕的双股双绞纤维(a b)对湿度变化的响应。
96.如图7a所示，随着相对湿度的增加，pdch的长度变化δl≈37％，δl＝(最终长度l
–
原始长度l0)/原始长度l0；而不具有多巴胺涂层的螺旋状人发纤维(ch)的长度变化少得多(δl≈4％)。经计算，pdch的长度变化率(4.48％/min)是ch的10倍(图7b)。利用pdch随湿度变化的这种显著的长度变化，pdch可以实现仿生蠕动。
97.为了直观展示pdch的仿生蠕动能力，设计了一个类似弹簧的致动器来驱动薄膜器件。如图7c所示，干湿交换触发了pdch的收缩和拉伸，从而产生类似蠕虫的运动。该致动器对环境友好，无需输入电源即可方便地运行。
98.如图8所示，“a-b”缠绕的合股纤维在较高的相对湿度(r.h.)下会收缩，而在较低的r.h.下会伸长(图8a)；“a b”缠绕的合股纤维表现出相反的形状记忆行为，即在较高的湿度下会伸长，而在低湿度时会伸长(图8b)。所有这些湿度诱导的形状变化都是可逆的和可重复的。
99.由此可见，具有多巴胺涂层的螺旋状头发纤维(pdch)以及顺时针(a-b)和逆时针(a b)缠绕的双股双绞纤维表现出了湿度诱导的四向形状记忆行为，可作为由湿度变化驱动的仿生驱动器和人造肌肉。
100.为了进一步验证“a-b”和“a b”作为人造肌肉移动物体的能力，制作了一个“um”标志，其相对重量(20.7mg)比两根头发的自重(每根约2.0mg)高10倍以上。如图9所示，当相对湿度从约53％(环境湿度)变化为99％时，“a-b”收缩从而抬起“um”，而“a b”伸长从而放低“um”；当相对湿度从约53％(环境湿度)变化为11.3％，两者表现出与上述相反的行为。
101.为了增加收缩力和伸长力，使用多根(20根)头发的“a-b”和“a b”作为人造肌肉纤维驱动假肢运动。如图10所示，手臂随着r.h.的增加和降低而运动。为了进一步展示肌纤维的潜在应用，利用“a-b”模式设计了举重假肢和模拟章鱼，它们能够反向收缩(图10d和图10e)。
102.实施例6：压力传感器
103.根据实施例2中所描述的方法，制备多巴胺涂层包裹的螺旋状头发纤维。制备4m的fe(no3)3溶液和4m的吡咯(ppy)溶液，并在冰浴中保持1h。将新鲜制备的多巴胺涂层包裹的螺旋状头发纤维用去离子水清洗，然后浸入1：1体积比的4m fe(no3)3溶液和4m吡咯溶液的混合物中，在冰浴中放置3天。为了提高电导率，通过重复ppy涂覆过程3次，使吡咯在纤维表面聚合3次，获得具有聚吡咯涂层和多巴胺涂层的螺旋状头发纤维。
104.接着，将上述制备的纤维与拱形结构的纸薄膜组装，制成压力传感器。在本实施例中，选择纸薄膜作为拱形物，它不仅可以提供相对平坦和宽的平台来容纳压力源，而且还易于变形，从而提高了整个复合材料的灵敏度。
105.如图11所示，施加在拱形纸薄膜的圆顶顶部的垂直压力会驱动拱形结构发生形状变化，然后该变化会传导到与拱形纸薄膜粘合的螺旋状头发纤维上，这将通过水平伸长率和电阻变化而显现出来。当施加垂直力时，压力通过纸薄膜传递到螺旋状纤维上，并导致纤维的拉伸和伸长，因此捕获并监视了由这些变化引起的电信号。将20μl(20mg，0.20mn)的水滴从大约1cm高处滴落到传感器上，并持续监控电信号。图11c中的峰显示了液滴滴落在压力传感器上时的响应信号。信号的突然上升归因于液滴滴落在传感器上时产生的冲击力。由于两个小液滴在短时间间隔内连续滴落，因此分别检测到两个信号峰。所有信号峰均证明了该传感器的稳定且可重复的响应，表明该传感器具有高灵敏度和快速响应性(响应时间约为500毫秒)。
106.上述结果表明，该压力传感器可以感知微小的力度变化，捕捉到指尖的柔和触力，同时响应速度快，输出信号稳定且可重复。
107.实施例7：电子皮肤(生物传感器)
108.在本实施例中，借助预制的3d打印的聚乳酸(pla)模具，将多巴胺涂层包裹的螺旋状头发纤维与聚丙烯酰胺(pam)水凝胶组装在一起，形成透明、灵活且可穿戴的电子皮肤。
109.矩形电子皮肤的制备如下：首先，用3d打印机预制一个长48mm、宽18mm、深8mm的顶
面开口的pla矩形模具。放置一根弹簧状头发纤维(可连接led)并沿最长边固定。然后，依次将4ml的am(200mg/ml)、80μl的mba(12mg/ml)、16μl的aps(200mg/ml)和12μl的temed加入到15ml试管中并均匀搅拌。混合后，将预凝胶溶液立即倒入模具中。放置5分钟后，形成矩形电子皮肤。
[0110]“v”形电子皮肤的制备如下：将三个led与四个弹簧状头发纤维相连，并放入圆盘模具中。然后将30ml的am(200mg/ml)、600μl的mba(12mg/ml)、120μl的aps(200mg/ml)和120μl的temed混合并倒入培养皿模具中。凝胶化5分钟后，将圆形装置切成“v”形。为了获得更直观的视觉反馈，将led嵌入到pam水凝胶中与电子皮肤连接。“v”形电子皮肤中的led可以指示并反馈两指手势。
[0111]
为了研究电子皮肤在运动下的性能，将如上制备的电子皮肤连接至数字关节并重复弯曲运动。如图12所示，该生物传感器可以通过电阻变化快速地检测到手指弯曲运动。手动弯曲“v”形电子皮肤或拉伸矩形电子皮肤时，led的亮度发生变化。
[0112]
实施例8：超级电容器
[0113]
ppy-h2so
4-pva纤维复合超级电容器的制备(图13f)：
[0114]
根据实施例2中所描述的方法，制备多巴胺涂层包裹的螺旋状头发纤维。制备4m的fe(no3)3溶液和4m的吡咯(ppy)溶液，并在冰浴中保持1h。将新鲜制备的多巴胺涂层包裹的螺旋状头发纤维用去离子水清洗，然后浸入1：1体积比的4m fe(no3)3溶液和4m吡咯溶液的混合物中，在冰浴中放置3天。接着，将pva/h2so4层胶粘为最外层。最后，将作为电极的两条螺旋状头发纤维粘合并组装，使作为隔膜的pva/h2so4膜和电解质夹在两个电极之间，制成ppy-h2so
4-pva纤维复合超级电容器。
[0115]
利用循环伏安法研究了如上制备的ppy-h2so
4-pva纤维复合超级电容器的性能。图13a所示的cv曲线显示出较大的封闭面积和对称形状，表明该超级电容器具有优异的电容性能。进一步，利用恒电流充放电(gcd)技术评估了该超级电容器的电化学性能。图13b所示的gcd图显示出时间和电势之间良好的线性关系，进一步证明了该超级电容器具有优异的电容性能。该器件在0.005ma/cm3的电流密度下显示出10.255f/g的密度比电容。图13e所示的ragone图表明该超级电容器达到了8.45mw/g的高功率密度，同时保持了0.095mwh/g的较高能量密度。即使能量密度增加，功率密度也保持在高水平，这表明器件的电容性能依赖于赝电容(pseudocapacitance)。
[0116]
虽然通过参照本公开的某些优选实施方式，已经对本公开进行了图示和描述，但本领域的普通技术人员应该明白，以上内容是结合具体的实施方式对本公开所作的进一步详细说明，不能认定本公开的具体实施只局限于这些说明。本领域技术人员可以在形式上和细节上对其作各种改变，包括做出若干简单推演或替换，而不偏离本公开的精神和范围。