集高强、高模、高韧于一体的高性能桑蚕丝

       蚕丝一直是高档服装面料的原材料，也逐渐被应用在生物工程、柔性传感器、光学存储、柔性电子器件和软质驱动器等高新技术领域。然而，天然蚕丝不规则的形貌、结构以及个体间的性能差异十分明显，极大地限制了蚕丝在高新技术领域中的产业化应用。为了改善蚕丝材料的形貌和性能，再生纺丝、添食改性、注射金属离子、基因编辑以及人工强制抽丝等方法应运而生。其中，人工强制抽丝技术已被证明是获得高性能蚕丝的理想方法，但如何缓解或消除抽丝过程中桑蚕的抵抗行为并获得性能优良的蚕丝仍是一个巨大的挑战。

        为解决这一问题，浙江理工大学研究团队创造性地开发了一种多模式、快速离心抽丝的方法，制备出了高强、高模、高韧蚕丝（CRS）。该方法的抽丝速度可达自然吐丝的6倍以上，收集的CRS具有优异的断裂强度，可媲美蜘蛛丝。

        受蜘蛛悬空吐丝启发的多模式离心抽丝策略启发，该团队设计了角度可调节的圆锥载体用于支撑蚕体，以在近似悬空状态下对吐丝桑蚕进行抽丝；同时利用桑蚕在自然结茧过程中的间歇性吐丝现象，进行间断式抽丝，即连续抽取一定时间后，停止抽丝操作，使桑蚕获得充分的时间以适应抽丝过程；最后，可以通过转动圆锥载体和增加吐丝桑蚕的数量一步法制备蚕丝纱线（CRSY）。

        研究发现，非头端固定抽丝和间断抽丝有利于缓解桑蚕在强制抽丝时的抵抗行为，采用间断抽丝获得的蚕丝在第一次断裂时的长度明显长于连续抽取收集的蚕丝，可作为量化桑蚕抵抗行为的重要指标。

        研究人员对比了CRS与茧丝（CS）、头部固定强拉伸丝、蜘蛛丝、棉以及羊毛的断裂强度、韧度和杨氏模量。结果表明，与茧丝相比，CRS的断裂伸长提升约50%，断裂强力提升约5%~15%，韧度为（121.07±35.31）MJ/m3，杨氏模量为（27.72±12.61）GPa；其最大断裂强度可达1.45GPa，是天然茧丝的3倍。继续增加吐丝桑蚕数量，当圆锥载体转动时，可以实现从蚕丝到纱线的一步制备，当出现断丝或者蚕不再吐丝时，通过捻搓的形式补添吐丝桑蚕，实现蚕丝纱线的连续制备。

        除优良的力学性能外，CRS还具有快速扭转恢复性能，且多次循环后仍能保持良好的恢复效果，是优秀的微驱动器材料。基于CRSY的气动软质驱动器可以执行预设的动作，包括收缩、伸长和弯曲，且能够承担极高的载荷，充分展示了CRSY在人工肌肉、软质驱动器及软体机器人领域的应用潜力。

        相关成果以 “High-performance artificially reeled silkworm silk via a multi-task and high-efficiency centrifugal reeling technique and its application in soft actuators”为题发表在《Materials Horizons》上。

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