向树干学习！浙大高超团队Science子刊：造出仿生高强高刚石墨烯纤维，赋能极端环境机器人

高性能纤维是航空航天、建筑工程和智能机器人等现代工业不可或缺的材料。然而，该领域长期面临一个根本性矛盾：提升纤维的拉伸强度通常需要减小其直径，但这会急剧降低其抗弯刚度，导致材料在侧向应力下易变形或断裂。受制于格里菲斯定律，随着纤维直径增加，缺陷尺寸呈指数级增长，使得强度和模量迅速衰减。尽管研究人员尝试了树脂浸渍、提高牵伸比等多种方法，但制备同时具备高强度和高刚度的厚纤维始终是巨大挑战。

受自然界生物材料（如树干）多级组装结构的启发，浙江大学高超教授、许震长聘副教授、畅丹博士团队提出了一种“融合诱导缺陷抑制策略”，通过多尺度融合纺丝技术，将数百根氧化石墨烯凝胶细丝融合成一根致密、结构规整的厚纤维。所得融合纺丝石墨烯纤维（FSGF）实现了前所未有的性能组合：直径100微米的纤维拉伸强度高达3.0吉帕斯卡，抗弯刚度达到1.6×10⁶ N·μm²，较凯夫拉纤维（典型值~10² N·μm²）高出约四个数量级（即10⁴倍以上）。该纤维还兼具优异的导热（1390 W·m⁻¹·K⁻¹）和导电性能（1.2×10⁶ S·m⁻¹），并成功应用于机器人的翅脉、足部和爪部，在0至7级强风、pH 0至14的强酸碱以及4 K至2000 K的超宽温域等极端环境中保持稳定工作。相关论文以“Bioinspired strong and rigid fusion-spun graphene fibers for harsh robotics”为题，发表在Science Advances上，论文第一作者为博士生张祎玮。

【从仿生设计到连续化制备】

研究团队以氧化石墨烯（GO）为模型材料，利用其大尺度构象转变、易加工和自粘附特性，设计了多孔纺丝头（孔数从2到400个，单孔直径80微米）挤出纺丝液。经过凝结、塑化拉伸后，多根取向的凝胶细丝在含水与乙醇的膨胀浴中溶胀比高达600%，随后在牵出干燥过程中连续融合成单根粗纤维，再经热处理得到FSGF（图1C, 1D）。扫描电镜（SEM）图像清晰展示了400根细丝融合成100微米厚纤维的形貌，融合点处可见细丝间的互锁结构（图1E, 1F）。截面SEM显示，融合后的纤维内部致密规整，细丝间通过褶皱互锁和氢键、范德华力及π-π作用等界面非共价键紧密结合，消除了传统湿法纺丝纤维常见的芯鞘结构（图1G）。通过调节纺丝头孔数，纤维直径可从7微米精准调控至100微米，且直径与细丝数量符合理论模型D = d√n，验证了其致密的互锁结构（图1H）。

图1. 仿生多层级融合纺丝制备FSGF。 （A）示意图展示树干中纤维素的逐级组装结构。（B）多尺度融合纺丝制备FSGF的融合诱导缺陷抑制策略示意图。（C）连续多尺度融合纺丝过程示意图。（D）多尺度融合纺丝制备的FSGF照片。（E）由400根细丝融合而成的100微米厚FSGF及单根5微米厚细丝的SEM图像。（F）多根GO细丝融合过程（左）及融合点放大区域（右）的SEM图像。（G）融合纺丝GO纤维致密规整的截面（左）及放大区域显示的细丝间互锁结构（右）的SEM图像。（H）多根细丝的圆柱堆积模型与融合互锁模型示意图（左），以及多尺度融合纺丝过程中FSGF直径随细丝数量的变化关系（右）。

【结构规整性突破】

与相同直径的传统湿纺石墨烯纤维（DSGF）相比，FSGF在轴向和径向均展现出卓越的结构规整性（图2A, 2B1, 2B2）。沿50毫米长纤维，FSGF的直径标准差始终低于3微米，而DSGF则从4微米剧增至26微米（图2C1, 2C2, 2D）。在圆形度方面，100微米厚的FSGF圆形度高达0.51，接近完美圆（0.56），而DSGF仅为0.14（图2E）。白光干涉测量表明FSGF表面粗糙度仅2.5微米，远低于DSGF的7.5微米（图2F）。密度测试显示，随直径增加FSGF密度稳定在1.94 g/cm³左右，而DSGF密度从1.83降至1.62 g/cm³，表明DSGF存在严重芯鞘结构。聚焦离子束-扫描电镜（FIB-SEM）三维重构证实，FSGF中心与边缘孔隙率均约0.1%，且平均孔隙体积仅7.3×10⁻⁴ μm³，为DSGF的万分之一；典型缺陷宽度仅19纳米，而DSGF达113纳米（图2G, 2H, 2I）。小角X射线散射（SAXS）和广角X射线散射（WAXS）表明，FSGF的取向度随直径增加保持在0.9以上，而DSGF从0.77降至0.51（图2J）。高分辨透射电镜（HR-TEM）显示FSGF沿纤维轴方向呈现石墨化层状晶畴，层间距0.335纳米，而DSGF层间距为0.35纳米且堆垛紊乱（图2K）。

图2. FSGF跨尺度的结构规整性。 （A）直径100微米FSGF悬挂100克砝码的数字照片。（B1和B2）100微米厚FSGF的侧视图（B1）和截面图（B2）扫描电镜照片，显示纤维轴向均匀性和径向规整性。（C1和C2）100微米厚DSGF的侧视图（C1）和截面图（C2）扫描电镜照片，显示严重的轴向不均匀性和径向不规则性。（D）不同轴向位置处纤维直径与平均直径偏差的统计分析。（E）FSGF和DSGF的圆形度随相应直径的变化。（F）白光干涉显微镜测量的FSGF和DSGF表面高度轮廓，插图为对应的光学照片（上：FSGF，下：DSGF）。（G和H）FIB-SEM三维重建分别显示FSGF（G）和DSGF（H）的微观结构，深蓝色区域代表孔隙缺陷。（I）FSGF（上）和DSGF（下）中心与边缘区域的孔隙体积分布统计。（J）直径100微米的FSGF和DSGF的典型WAXS图案（左）及计算所得取向度（f）随纤维直径的变化（右）。（K）TEM图像显示直径100微米的FSGF和DSGF沿纤维轴的晶体结构。

【力学性能与多功能集成】

优异的规整性赋予FSGF卓越且均一的力学性能。20微米厚的FSGF拉伸强度达3.6 GPa，远高于同厚度DSGF的1.4 GPa（图3A）。当直径从7微米增至100微米，FSGF强度保持在3.0 GPa以上，而DSGF骤降至87 MPa。FSGF的强度与直径关系为σ~D⁻⁰.¹，几乎消除了传统σ~D⁻¹.¹的尺寸敏感性（图3B）。此外，FSGF的拉伸强度不随测试长度增加而明显降低，而DSGF在测试长度从5毫米增至100毫米时强度衰减达85%（图3C）。三点弯曲测试显示，100微米厚FSGF的抗弯刚度达1.6×10⁶ N·μm²，较同直径DSGF高出四个数量级以上（图3D）。该纤维综合比强度（1.6×10³ MPa·g⁻¹·cm³）和比抗弯刚度（8.5×10⁵ N·μm²·g⁻¹·cm³）填补了传统高性能纤维（金属纤维高刚低强，碳纤维等高强低刚）的性能空白（图3E, 3F, 3G）。此外，FSGF在4 K至2000 K超宽温域及pH 0-14的强酸碱环境中，其ID/IG比值（0.06）、取向度和层间距均保持稳定，经过30天浸泡或100次冷热冲击循环后性能无明显衰减（图3H, 3I, 3J, 3K）。

图3. FSGF的力学性能、热学与电学性能及极端环境耐受性。 （A）直径20微米FSGF和DSGF的典型拉伸应力-应变曲线。（B）FSGF和DSGF拉伸强度随纤维直径的变化。（C）FSGF和DSGF拉伸强度随测试长度的变化。（D）FSGF和DSGF抗弯刚度随纤维直径的变化。（E）100微米厚FSGF的综合性能雷达图，包括拉伸强度、杨氏模量、抗弯刚度、热导率和电导率。（F和G）FSGF与各类工程纤维的比拉伸强度与比抗弯刚度对比。（H）100微米厚FSGF在4 K至2000 K温度范围内的拉伸强度与抗弯刚度。（I）FSGF在极端温度和pH条件下的比强度与比抗弯刚度保持率。（J）FSGF在4 K和2000 K下的典型应力-应变曲线。（K）FSGF在pH 0和pH 14条件下浸泡30天后的典型应力-应变曲线。

【极端环境机器人应用】

基于上述特性，研究团队将FSGF应用于微型飞行器和机器人的关键部件（图4A）。作为仿蜻蜓飞行器的翅脉，在7级强风下，FSGF基机翼偏转角仅5°，而钢丝基机翼达43°（图4B, 4C）；在相同初始转速下，FSGF基飞行器0.6秒内飞行高度达22厘米，远超钢丝基的5厘米（图4D）。作为蜘蛛机器人的足部，FSGF足可在pH 0和pH 14的强酸碱溶液中稳定行走（图4E, 4F）。作为微型夹持器的爪部，在强酸或液态镓（70°C）中，FSGF爪能持续抓取释放0.3克珠子，而钢丝爪在5秒内即被腐蚀断裂（图4G）。尤为引人注目的是，200微米厚的FSGF能在两端分别处于77 K（液氮）和2000 K（火焰）的极端温差下，稳定承受0.1 N侧向力而不变形（图4H）。基于FSGF的机械爪在77 K和2000 K环境中均能稳定抓取释放0.6克重物，且经过100次冷热冲击循环后，其拉伸强度和抗弯刚度保持率均在96%以上（图4I, 4J）。

图4. FSGF集成微型机器人在恶劣环境中的多功能性。 （A）FSGF集成微型机器人抵抗各种极端条件的示意图。（B）蜻蜓卡通示意图（上）和以FSGF为翅脉的仿蜻蜓微型飞行器（下）的照片。（C）7级强风下钢丝翅脉（上）和FSGF翅脉（下）人工翅膀偏转角度的照片。（D）FSGF翅脉基微型飞行器的飞行高度照片（左）及不同初始转速下FSGF集成与钢丝集成微型飞行器飞行高度对比（右）。（E）集成FSGF足部和爪部的机器人示意图。（F）FSGF机器人足部（左）及FSGF集成蜘蛛机器人在强酸和强碱环境中稳定行走（右）的照片。（G）FSGF机器人爪部（左）及FSGF集成夹持器在强酸环境中长期精确操控小物体（右）的照片。（H）200微米厚FSGF在2000 K（火焰）和77 K（液氮）叠加极端条件下悬挂10克砝码而不发生变形失效的照片。（I）FSGF集成夹持器分别在77 K（上）和2000 K（下）下稳定抓取0.6克珠子的典型照片。（J）100微米厚FSGF在77 K和2000 K之间循环温度冲击过程中拉伸强度和抗弯刚度的保持率。

【总结与展望】

本研究通过多尺度融合纺丝策略，成功制备了兼具超高强度（3.0 GPa）和卓越抗弯刚度（1.6×10⁶ N·μm²）的石墨烯纤维，突破了格里菲斯定律的传统限制，同时赋予纤维优异的热学、电学及环境耐受性。该纤维在仿生飞行器、智能机器人及极端环境工程中展现出巨大应用潜力。此项工作为高性能结构材料设计、仿生功能开发以及恶劣环境下机器人技术的发展开辟了新途径。