Science Advances发表浙江大学高超教授团队成果——仿生高强高刚融合纺石墨烯纤维用于极端环境机器学

研究背景

高性能纤维具有轻质、高强优势，是航空航天、机器人、电子设备等领域的关键材料。开发兼具高拉伸强度与高抗弯刚度的纤维在结构材料领域具有重要的应用价值。然而，传统纤维的抗拉强度与抗弯刚度难以兼具：提高强度通常减小纤维直径，而直径减小又显著降低抗弯刚度；当纤维直径增大从而提升抗弯刚度时，内部缺陷增加，强度明显下降（Griffith定律）。因此，开发兼具高拉伸强度与高抗弯刚度的纤维仍面临巨大挑战。

受自然界树木的分级组装结构启发，浙江大学高超教授团队提出多尺度融合纺丝策略，使多根氧化石墨烯（GO）凝胶细丝在连续拉伸过程中发生融合、取向和致密化，构筑结构均一的大直径石墨烯纤维。该策略有效抑制了纤维直径增大时内部缺陷的放大，开发出兼具高拉伸强度与高抗弯刚度的石墨烯纤维（直径20-200μm），拉伸强度高达3.0 GPa，抗弯刚度高达1.6×10⁶ N μm²，突破传统纤维拉伸强度与抗弯刚度难以兼具的限制。此外，该纤维还呈现出优异的热导率（1390 W m^-1 K^-1）和电导率（1.2×10⁶ S m^-1），并在极端高低温（4-2000 K）、强酸强碱（pH 0-14）和大风（0-7级）等极端环境中保持稳定性能，在仿生飞行器翅脉、机器人足/爪的抓取-检测等结构-功能一体化场景中展现出重要应用潜力。相关成果以“Bioinspired strong and rigid fusion-spun graphene fibers for harsh robotics”为题发表在《Science Advances》（DOI: 10.1126/sciadv.aeg6444）期刊，浙江大学博士生张祎玮为论文第一作者，浙江大学博士后畅丹、许震长聘副教授、高超教授为共同通讯作者。

工作介绍

1.提出多尺度融合纺丝策略，连续制备高性能石墨烯纤维

采取多孔喷丝板，通过多个孔道制备GO凝胶细丝。经凝固、塑化、拉伸后，多根高度取向的细丝在溶胀—干燥过程中发生自适应收缩和融合，并通过氢键、范德华力和π–π相互作用形成致密的互锁结构，最终连续融合成单根纤维。通过调节喷丝板孔数，纤维直径可由约7 μm调控至200 μm。

与传统直接湿法纺丝相比，多尺度融合纺丝能够显著改善纤维的结构均一性。融合纺石墨烯纤维具有更圆的横截面、更低的表面粗糙度以及更均匀的内部结构，明显削弱传统大直径湿纺纤维的皮芯结构。

图1. 仿生分级组装的多尺度融合纺丝策略制备石墨烯纤维

图2. 融合纺石墨烯纤维的多尺度结构规整性

2. 揭示融合抑制缺陷机理，实现高拉伸强度与高抗弯刚度协同

传统湿法纺丝中，随着纤维直径增大，双扩散路径变长，易形成明显的皮芯结构，导致纤维的致密度和取向度下降。而在融合纺丝中，多根细丝通过连续融合缩短了内部传质路径，同时利用细丝之间的自适应形变减少表面褶皱，从而在纤维直径增大时保持高度致密和取向结构。

基于此，融合纺石墨烯纤维表现出优异的力学性能。当纤维直径由7 μm增加至100 μm时，其拉伸强度保持在3.0 GPa以上，而传统湿纺石墨烯纤维的强度则快速下降至约87 MPa。直径100 μm的融合纺石墨烯纤维拉伸强度达到3.0 GPa，杨氏模量330 GPa，抗弯刚度达到1.6×10⁶ N μm²。同时，其热导率达到1390 W m^-1 K^-1，电导率达到1.2×10⁶ S m^-1。该纤维性能在4 K-2000 K极端高低温、pH 0-14强酸强碱等极端环境中表现出优异的稳定性，证明该石墨烯纤维适用于不同的极端环境，而传统高性能纤维难以适用于此类环境。

图3. 融合纺石墨烯纤维的力学、导热、导电性能及其在极端环境中的性能稳定性

3. 高强高刚石墨烯纤维在极端环境机器学中的应用

基于融合纺石墨烯纤维的轻质、高强、高刚、耐极端高低温、耐腐蚀等优点，开发该纤维作为仿生微型飞行器翅脉、机器人足/爪等关键结构件的应用。例如，采取融合纺石墨烯纤维作为仿蜻蜓微型飞行器翅脉，在7级大风条件下，翅膀的偏转角仅约5°，显著低于钢丝翅脉的43°。采用融合纺石墨烯纤维用于蜘蛛形机器人的足/爪后，实现在强酸、强碱环境中的长时稳定行走、抓取与释放物体并原位检测被抓物体的电导率等物理性质，识别被抓物体的属性，实现抓取-检测一体化，并在77 K液氮和2000 K高温环境下完成稳定操作，展现出极端环境机器学的应用潜力。

图4. 高强高刚石墨烯纤维在极端环境机器学的应用

工作总结

受生物分级组装思想启发，本工作提出了多尺度融合纺丝策略，通过连续融合、拉伸取向，实现了高度致密、结构规整石墨烯纤维的制备。融合抑制缺陷机理避免了传统纤维随直径增大的缺陷放大效应，突破了拉伸强度—抗弯刚度平衡瓶颈，实现了拉伸强度高达3.0 GPa、抗弯刚度高达1.6×10⁶ N μm²的协同提升。结合该纤维优异的导热、导电性与极端环境耐受性，开发其作为关键结构材料在极端环境机器学中的应用，为高性能纤维、仿生飞行器、极端环境机器人等领域的发展提供新思路。

前期工作基础

该工作基于团队在石墨烯纤维及宏观组装材料领域长期积累的研究基础，相关综述见 Appl. Phys. Rev. 2023, 10, 011311；Adv. Mater. 2020, 32, 1902664；Acc. Chem. Res. 2014, 47, 1267。相关工作包括塑化纺丝提高石墨烯纤维取向和性能（Adv. Funct. Mater. 2020, 30, 2006584）、离子交联同步增强纤维塑性、承载能力和导电性能（Matter 2026, 9, 102517），以及超高倍率牵伸实现石墨烯纤维强度与热导率协同提升（Nat. Mater. 2026）。特别是，团队发现了氧化石墨烯基纤维可逆融合与分裂这一独特动态组装现象（Science 2021, 372, 614），并开展了水启发的氧化石墨烯导向模块机械式组装研究（Matter 2026, 9, 102799）；同时发展了复合流场双向有序组装（Nat. Commun. 2024, 15, 409）和分域剪切多流场限域折叠石墨烯纤维（Nat. Mater. 2026, 25, 191–198）等系列工作，为本工作发展多尺度融合纺丝、实现石墨烯纤维高强高刚协同奠定了基础。

基金致谢

本工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、浙江省自然科学基金、中国博士后创新人才支持计划等项目的资助与支持。