摘要：热激活捻绕螺旋聚合物执行器（Twisted and Coiled Polymer Actuators, TCPAs）因具有高能量效率、低重量和驱动性能而被认为是一类极具前景的软执行器。这些执行器通常基于热响应或电热响应的聚合物纤维，结合了高应变和高力输出

　　摘要：热激活捻绕螺旋聚合物执行器（Twisted and Coiled Polymer Actuators, TCPAs）因具有高能量效率、低重量和驱动性能而被认为是一类极具前景的软执行器。这些执行器通常基于热响应或电热响应的聚合物纤维，结合了高应变和高力输出以及可调刚度。因此，它们被考虑用于机器人、假肢和可穿戴系统中。本文全面概述了TCPAs的原理、制造策略和材料表征方法，包括在不同长度尺度下的热机械、结构和形态分析。文章进一步将聚合物微观结构、加工历史和执行器几何形状与关键性能指标（如行程、阻塞力和循环稳定性）相关联。此外，还讨论了性能优化的最新进展，涵盖加速热管理、减轻蠕变和疲劳以及通过集成传感和建模提高可控性的方法。文中强调了TCPAs在生物医学工程、软机器人和自适应纺织结构中的应用前景，随后从材料设计、可扩展制造和标准化表征协议等方面对当前挑战和未来研究方向进行了批判性评估。本工作为寻求从材料科学角度了解捻绕螺旋聚合物执行器设计、表征和应用的科研人员提供了资源。

　　近年来，可穿戴技术、智能纺织品和软机器人在科学和工业界引起了广泛关注。这些发展的一个基本前提是将功能材料无缝集成到纺织结构中，以实现可穿戴系统或软机器人设备。这些系统能够响应各种外部刺激，如电、热、化学、磁、光或气动信号，并将它们有效地转换为机械运动。最广泛研究的软材料驱动原理包括介电弹性体执行器（DEAs）、离子聚合物-金属复合材料（IPMCs）、导电聚合物（CPs）、形状记忆合金（SMAs）、形状记忆聚合物（SMPs）、气动人工肌肉（PAMs）、液晶弹性体执行器（LCEs）和热激活捻绕螺旋聚合物执行器（TCPAs）。其中，DEAs和SMAs是研究最深入且在实际中应用最广泛的软执行器。DEAs的特征是应变极高（高达380-500%），响应时间快，功率密度高，但需要千伏级的驱动电压，产生的力相对较低，且电极容易随时间退化。相比之下，SMAs可以实现高驱动应力（高达200 MPa），但受到低应变（3-10%）和缓慢的热驱动响应时间的限制。为了弥补这些局限性，TCPAs提供了高应变（高达48%）和高驱动应力（高达19 MPa）的平衡组合，同时还表现出高比功率密度、最小滞后、优异的耐久性和经济高效的制造性。温度诱导的轴向收缩导致螺旋结构内纤维的解扭，这导致长度变化（ΔL）和线圈角度的改变。这种解扭产生机械扭矩，充当扭转驱动器。执行器响应由纤维扭绞和线圈缠绕的手性决定：同手性配置导致收缩，而异手性配置导致伸长。尽管TCPAs可以通过湿度或电刺激触发，但本综述主要关注热激活和电热激活的TCPAs。TCPAs已在仿人机器人、软机器人运动和智能纺织品中得到成功实施。在仿人机器人应用中，TCPA已被用作机器人手、手指、手臂和人工膝关节的驱动元件。在生物启发和软机器人运动中，TCPAs可实现游泳、爬行和跳跃等多种运动模式。在智能纺织品领域，TCPAs的纤维状结构便于将其无缝集成到织物表面。除了单纯的驱动应用外，TCPAs越来越多地被探索为多功能组件，集成了驱动、传感和对环境的响应性。然而，要实现长期耐久性、环境鲁棒性和跨不同应用场景的标准化系统集成仍面临挑战。总之，这些应用凸显了TCPAs的广泛谱和通用性，其驱动力、应变和刚度的平衡组合以及经济高效的制造使其对软机器人和智能纺织品应用特别具有吸引力。

　　TCPAs的驱动效应基于捻绕纤维的热解扭，由聚合物纤维中各向异性热膨胀（轴向收缩和径向膨胀）引起。这种各向异性热膨胀在取向的半结晶聚合物材料中尤为显著，其宏观行为很大程度上由其微观结构组织决定。纤维结构由沿纤维轴排列的微纤组成，包含结晶区和无定形区。在结晶域中，聚合物链呈片层状致密堆积；无定形区主要由无序聚合物链组成。Choy等人提出的模型认为，热激活导致各向异性热响应，结晶区主要垂直于纤维轴膨胀，而系带分子沿纤维轴受约束，可能通过熵弹性促进轴向收缩。然而，Kimura等人的实验表明，半结晶聚合物纤维的热收缩在很大程度上与外部应力无关，挑战了熵弹性是主导机制的假设。Kimura等人提出，各向异性热膨胀主要由无定形相在结晶区施加的结构约束下的热膨胀控制。在这个结构模型中，纤维被描述为由微晶、无定形链、柔性系带分子和刚性系带分子组成的分层网络，后者形成所谓“刚性无定形相”。无定形区的热膨胀在几何上受到约束，导致整个结构的耦合变形，将分子尺度的各向同性膨胀转化为轴向收缩和径向膨胀的各向异性宏观变形。特定材料的相互作用，如氢键密度和链堆积，通过修改无定形相的迁移率和约束网络的刚度进一步影响各向异性响应的幅度和方向性。总体而言，当前证据表明，高度取向半结晶聚合物纤维的热机械行为是由热激活的无定形膨胀与半结晶形态施加的结构约束之间的耦合相互作用控制的，而不是单一孤立的机制。虽然这种微观结构起源解释了纤维层面的各向异性热膨胀，但它不能直接解释捻绕和螺旋结构中观察到的大宏观驱动应变。局部各向异性变形向全局驱动的转换是由捻绕和螺旋过程中引入的几何约束控制的，这些约束耦合了扭转和轴向变形。

　　建立在第2.1节描述的各向异性热膨胀微观结构起源之上，力学建模框架旨在描述这种内在材料行为如何通过捻绕和螺旋放大为大尺度驱动。当纤维被捻绕时，最初轴向对齐的聚合物链被重新定向为螺旋构型。这种几何变换引入了扭转和轴向变形之间的耦合，当捻绕纤维进一步盘绕成螺旋弹簧时，这种耦合进一步增强。由此产生的行程ΔL直接与纤维解扭ΔT/T

　　耦合。初始模型采用了经典螺旋弹簧理论，但未能捕捉TCPA行为，因为剪切模量G通常随温度升高而增加，预测的是膨胀而非收缩。先进的方法如使用Kirchhoff-Love梁理论和Cosserat杆理论更好地考虑了扭转-纤维耦合，但在有限应变和微观结构效应方面存在困难。更全面的模型如Yang和Li的多层同心方法纳入了径向变化的各向异性，成功地将微观结构物理与宏观尺度驱动联系起来。有限元方法为复杂几何形状和载荷提供了全三维模拟能力。这些框架将实验材料表征与性能预测联系起来，指导跨应用优化的TCPA设计。经典解析模型提供有价值的物理洞察，但通常限于简化几何和线性假设；有限元模型能纳入非线性效应，但计算复杂度增加。最近的数据驱动建模和机器学习（ML）方法为分析和优化TCPAs开辟了新途径，能够从实验或模拟数据中识别复杂的非线 材料和加工对性能的影响

　　TCPA纤维必须结合高轴向热膨胀和足够的机械强度，以承受显著的捻绕和螺旋载荷。许多研究使用聚酰胺纤维（主要是PA6和PA66）以及聚乙烯基纤维（如LLDPE、HDPE和UHMWPE）。聚酰胺因其高机械强度、可用性和成本效益而受到青睐。PA6具有较好的韧性和加工性，而PA66提供更高的机械强度、更好的热稳定性和尺寸稳定性。聚乙烯纤维则以其优异的强度重量比和化学抗性著称。在半结晶聚合物中，结晶度、分子间键合和链取向决定了热机械性能。强氢键促进了高度有序的半结晶结构，限制了链运动，导致负轴向热膨胀。聚酰胺中的氢键密度影响其热响应，但也会增加吸湿性，导致在环境条件下性能下降。聚乙烯基纤维（如LLDPE、HDPE、UHMWPE）由于不同的结晶度和链结构，表现出不同的驱动行为：LLDPE在低温度下产生较大应变，HDPE需要更高热能，UHMWPE则表现出双机制行为（适中的熵弹性和熔融主导的大膨胀）。除了聚酰胺和聚乙烯，其他聚合物如PVDF（低吸水率）、PLA立体复合物（可持续）和氨纶（高伸长率）也被探索。纤维拉伸增加了链取向和结晶度，增强了各向异性热膨胀。后拉伸退火可以进一步改善结晶度和取向。总之，负轴向热膨胀是驱动的前提，高结晶度和链取向提高了力输出和循环稳定性，聚酰胺和聚乙烯占据互补的生态位。

　　捻绕过程中的执行器性能受纤维直径和捻绕密度的强烈影响。插入的捻度随扭转行程和扭矩单调增加。纤维直径显著影响产生的扭矩，而可达到的捻度受纤维断裂或屈曲的限制。临界捻绕密度定义了失稳前的上限。结构偏角θ描述了捻绕后聚合物链的螺旋取向，最佳偏角约为30°，可在结构稳定性和驱动性能之间Kaiyun取得平衡。产生的扭矩与剪切模量G成正比，而温度升高会降低G，从而降低拉伸力和执行器性能。

　　TCPA制造主要有两种方法：卷绕机卷绕和自卷绕（非卷绕机卷绕）。自卷绕形成紧凑的线圈，但常出现线圈间连接（ICC），限制了行程，但能产生高力。卷绕机卷绕则允许受控的线圈间距，实现更大行程但力较低。除弹簧指数外，单丝和多丝的选择也影响性能：单丝基TCPA产生更高的收缩负载，而多丝纱基系统在扭转特性上更优。加捻（同时捻绕多根纤维）可产生复杂的螺旋结构，但增加股数可能降低驱动性能。螺旋包裹TCPAs结合了两种方法的优点，实现了高应变和相当的力生成。TCPA的捆扎可通过编织技术线 捻绕和螺旋的制造方法

　　捻绕工艺分为手动、半自动和全自动（工业）方法。手动制造灵活但重现性差；半自动方法提供更好的控制；全自动方法采用纺织技术（如假捻原理）实现连续生产，适合大规模应用。

　　退火步骤固定了结构的机械平衡，消除内应力并永久稳定螺旋绕组。关键参数包括温度、持续时间、施加的负载和冷却速率。对于聚酰胺，典型退火温度在120至180°C之间，而聚乙烯则在70至150°C之间。适度的拉伸应力和缓慢冷却有助于均匀的形状固定和提高执行器耐久性。

　　新制造的TCPAs在首次驱动时表现出不稳定性，通过反复加热和冷却循环（训练）可使微观结构稳定，使可逆驱动变形一致。训练的有效性取决于温度、循环次数和冷却速率。通常需要10至20个循环进行初始稳定，耐久性测试可达10 000次循环。

　　基于文献回顾，得出以下设计指南：材料选择应倾向于取向的半结晶纤维，具有强分子间相互作用；几何折衷：低弹簧指数和紧凑线圈有利于力输出，而较大线圈直径和间距增加行程；加工：在接近但低于熔化起始温度下退火以固定几何形状；热管理：驱动带宽主要受冷却限制，强制对流或浸入环境是提高频率的关键；基准测试：比较均匀腔室加热与集成焦耳加热，以量化热梯度对性能和循环稳定性的影响。

　　DMA是表征TCPAs及其前驱纤维热机械性能的灵敏技术，可提供温度依赖的模量、阻尼和驱动行为。DMA用于量化受控温度斜坡下的驱动力和应变，以及有效温度依赖模量。旋转DMA还可提供剪切模量和扭矩，但对于TCPAs报道较少。热机械分析（TMA）可直接测量热膨胀，但相关研究仍然稀缺。

　　DSC用于确定TCPAs的活化温度范围和热处理的关键加工温度，并提供关于结晶度、玻璃化转变和熔融行为的信息。加热速率、热历史和测量模式显著影响结果，建议使用调制DSC（MDSC）分离可逆和不可逆热流分量。

　　XRD提供晶体晶格参数、分子堆积、微晶尺寸和取向的补充结构信息。广角X射线散射（WAXS）探测纳米级晶体结构，小角X射线散射（SAXS）提供片层间距等信息。对于TCPAs，XRD主要用于研究纤维加工过程中的结构变化，如结晶相演变和取向。然而，取向分辨的XRD测量很少报道，且缺乏标准化协议。

　　FTIR通过探测与结晶和无定形域相关的分子振动，提供相特异性吸收带和构象变化的信息。在聚酰胺中，特征带受氢键影响，可区分有序和无序区域。对于聚乙烯，结构差异反映在带强度上；PVDF则可进行相识别。FTIR还可提供分子取向和变形诱导结构变化的见解，但其应用有限，且定量解释需要与XRD等技术结合。

　　拉伸测试提供基本的机械参数，如抗拉强度、断裂伸长率和刚度，主要用于定义捻绕和螺旋过程中的合适载荷水平。然而，单独拉伸测量对TCPA性能的洞察有限，因为它们不能捕捉加工过程中的结构转变或耦合的热机械行为。

　　TCPA的热机械表征侧重于温度变化期间的轴向行程和力发展。由于缺乏标准化系统，通常使用定制装置进行应变、力和温度的同时采集。应变常用光学方法测量，力用称重传感器或万能试验机测量，扭转行为则用各种专用装置研究。加热多采用焦耳加热或温控室。建议采用多阶段表征方法：首先表征前驱纤维，然后在均匀外部加热下测试TCPA，最后在电热激活下测试。标准化测试条件应包括加热速率、预载荷水平和数据采集速率。动态机械分析（DMA）有望作为统一的表征平台，用于评估静态和动态驱动性能。

　　为了提高研究间的可比性，建议报告包括试样细节、几何参数、加工历史、热协议、机械协议、电气参数（如果使用焦耳加热）、环境和仪器在内的参数。迈向标准化的第一步是使用基准测试条件和参考材料。

　　其他表征方法包括阻抗测量（用于自监测）和电阻测量（用于焦耳加热TCPAs）。水热测试对于评估真实环境条件下的长期稳定性也很重要。

　　热激活TCPAs的主要挑战在于有限的冷却速率，这限制了开关频率。主动冷却策略（如强制空气或水冷却）已被探索，但往往笨重且能耗高。替代方法如 hydrogel涂层或柔性空气通道显示出潜力。加热元件（如金属涂层或导电纱线）存在不均匀温度和降解问题。自监测依赖于电稳定性，而循环机械载荷会导致性能下降。长期循环稳定性需要改进模型和设计以减轻蠕变和疲劳。湿气吸收（尤其在尼龙中）会影响可靠性，疏水涂层或替代聚合物是可能的解决方案。总之，克服这些限制需要结合改进的加热/冷却、稳健的材料和可靠的监测。

　　TCPAKaiyuns已成为一类有前景的纤维基人工肌肉，独特地结合了类似肌肉的行程、高比功率和与纺织制造路线的固有兼容性。其驱动源于取向半结晶聚合物纤维中的各向异性热膨胀与定制螺旋结构的耦合。性能由材料选择、加工历史和几何形状共同决定。尽管尼龙和聚乙烯系统目前占主导地位，但替代聚合物和杂化物拓宽了设计空间。未来的研究应聚焦于合理设计新材料、开发可扩展的制造路线以及建立标准化测试框架，以促进TCPAs在软机器人和可穿戴系统中的实际应用。