近日，材料与化学化工学院朱雨田教授团队联合南开大学刘遵峰教授，在超快响应与超大形变湿气响应纤维驱动器研究方面取得新进展。相关成果以 “Fast-Response and Large-Deformation Moisture-Driven Janus Structured Fiber Actuator Composed of Multiscale Hydrophilic–Hydrophobic Interfaces” 为题，发表在国际知名期刊 Advanced Functional Materials（2025，影响因子19）上。

湿气驱动型智能材料能够将环境湿度变化转化为机械运动，在软体机器人、仿生系统和智能纺织品等领域具有重要应用前景。当前，该领域面临的核心科学问题是：如何通过界面设计与结构调控，实现湿气诱导化学势能向机械能的高效、快速与可逆转化，并揭示其中的多尺度非平衡溶胀动力学机制？

针对这一问题，研究团队提出了多尺度亲水–疏水界面构建策略，开发出一种兼具超快响应与超大形变性能的 Janus 结构纤维驱动器。该驱动器在结构设计上实现了宏观与微观界面的协同优化：1）宏观界面层面，通过并列式湿法纺丝技术，将疏水聚氨酯（PU）与亲水 PEG-47 共混物复合，形成明确的 Janus 双组分结构，为不对称形变提供驱动力；2）微观界面层面，亲水侧的 PEG 链段相分离形成富 PEG 区域，构建大量微观亲水–疏水界面，显著加快水分子吸附与扩散过程，实现快速溶胀–退溶胀循环。经过双组份比例（PEG-47:PU = 7:3）、拉伸比（1:5）及干燥条件（110℃）的工艺优化，所得纤维驱动器在多项关键性能指标上表现突出：最大收缩率达 96.7%，最大收缩速度达 58.2%/s，最大弯曲响应速度达 14.2 cm⁻¹·s⁻¹，最大弯曲曲率达 33.3 cm⁻¹，且在多次循环测试中保持稳定与可逆性能。结果表明，多尺度界面设计在促进湿气诱导溶胀动力学与形变协同中发挥关键作用。

图1. Janus 纤维驱动器的制备与表征。a）用于制备 Janus 纤维驱动器的连续湿法纺丝工艺示意图。b）在收集辊上收集 Janus 纤维的照片。c、d）Janus 纤维手动拉伸前（c）后（d）的照片，体现其优异的柔韧性和延展性。e）Janus 纤维在干燥和湿润状态下的应力 - 应变曲线。f-h）不同视角下展示纤维 Janus 结构的扫描电子显微镜（SEM）图像；轻微扭转可突出显示纤维的两侧。i、j）Janus 纤维驱动器的横截面 SEM 图像，清晰显示聚氨酯（PU）与 PEG-47 区域之间的界面。k）打结 Janus 纤维的 SEM 图像，体现其优异的柔韧性。

图2. 旋涂法制备的PEG-47薄膜受到湿气刺激后岛相随时间（初始状态、1 分钟、2 分钟、3 分钟、4 分钟、10 分钟、15 分钟、20 分钟；从左至右、从上至下）的形貌演变过程。

图3. Janus 纤维驱动器的湿度驱动性能。a）照片展示了 Janus 纤维驱动器在湿度环境中暴露 0.7 秒后的收缩过程（i-iv），以及随后在室温下的持续收缩与恢复行为（v-vii）。b）a 图所示收缩与恢复过程中，Janus 纤维驱动器的收缩率随时间变化曲线。c）a 图所示收缩与恢复过程中，Janus 纤维驱动器的速度随时间变化曲线。d）Janus 纤维驱动器的循环性能：经过 20 次湿度驱动收缩-干燥恢复循环后，其最大收缩率的保持情况。e）该 Janus 纤维驱动器与文献中已报道的湿度驱动纤维驱动器在曲率、最大响应速度及最大收缩率方面的性能对比。

研究团队还展示了该驱动器在多个场景中的潜在应用：1）仿生系统：构建“人工钟形虫”和“人工卷须”模型，模拟自然界中高效的湿气驱动运动，为微型仿生机器人与植物仿生结构提供新思路；2）智能产品：实现如湿度感应假发、湿度触发电路开关等原型演示，展现出在环境感知与智能控制方面的应用潜力。

材料与化学化工学院硕士研究生丁祥为论文第一作者，朱雨田教授、陈建闻副教授与南开大学刘遵峰教授为共同通讯作者。杭州师范大学为论文第一完成单位。