螺旋结构作为自然界广泛存在的优化构型（如DNA双螺旋、植物卷须等），因其独特的力学响应特性成为仿生材料设计的重要范式。受自然界中螺旋结构的启发，螺旋纤维通过将几何拓扑优势与材料本征性能结合，具备特殊性能和功能的仿生螺旋纤维具备广泛的应用前景。然而，传统螺旋纤维在结构精确性与批量化生产之间难以兼顾。因此，开发兼具高精度结构调控能力与广谱材料适应性的新型螺旋纤维连续化制备技术，成为突破当前应用限制的关键方向。
近日，江南大学魏取福教授团队在期刊《Advanced Fiber Materials》上发表了最新研究成果“非等长同轴湿纺规模化制备用于智能纺织品的仿生螺旋纤维”（Scalable Fabrication of Biomimetic Helical Fibers by Non-Isometric Coaxial Wet Spinning for Smart Textiles）。江南大学为第一署名单位，论文第一作者为纺织科学与工程学院博士生吕子豪，通讯作者为魏取福教授、王清清副教授。研究提出了一种可扩展的非等长同轴湿纺策略，整合了异质绳圈与外壳限域机制，制备了超高弹性、可回收性、连续生产的稳定螺旋纤维，通过结构设计和原料优化实现热调节和刺激响应功能拓展，为设计智能纺织品提供了简单、可靠的新方案。
图1. PU基螺旋纤维的设计与制备
如图1所示，在纺丝过程中，首先制备不同内部形态的皮芯水凝胶纤维，再通过柠檬酸钠螯合去除外层得到聚氨酯基纤维。随着内外相流速比逐渐降低，纤维形态呈现清晰演变路径：不定形-螺旋-波浪-直线。以上结果说明螺旋并非随机形成，而是流场与相变速率竞争的结果，具有明确的调控窗口。
图2. PU基螺旋纤维的结构和螺旋参数调控
如图2所示，在形貌结构层面，PU基螺旋纤维同时具备：仿树皮褶皱表面、典型的湿纺皮芯截面和稳定宏观螺旋构型。通过调节流量、流速与针头规格，可系统性调控螺旋直径、螺距与振幅，对后续性能设计和织造兼容性非常关键。
图3. 纤维螺旋结构的成型机制
如图3所示，在较高内外相流量比下，外相海藻酸钠对半凝胶态内相聚氨酯产生反向剪切，应力积累诱导其发生失稳，进而盘旋折叠。与此同时，外相在凝固浴中迅速离子交联，形成刚性壳层，构成外壳限域效应，防止螺旋结构松弛或拉直。以上过程总结为：异质绳圈效应 + 壳层限域的协同机制。在这一过程中，非等长针头、凝固浴、内外相流体性质是关键性因素。此外，基于上述机制，该方法具备一定的拓展性（装置简易化：通过一次性针头组装成功纺丝；原料普适化：制备聚己内酯基螺旋纤维）。
图4. PU基螺旋纤维的物理性能和自收缩管状螺旋纤维的构筑
如图4所示， PU基螺旋纤维展现出：超高断裂伸长率、极低初始模量、优异的循环稳定性和压缩回复性。此外，该工艺支持纺丝—织造—回收的闭环体系，通过原液着色制备的多色螺旋纤维色深值高且耐水洗性强，回收复用性显著且强度损失极小。进一步，对上述PU基螺旋纤维进行反向加捻，为平衡捻幅差异产生的内外层应力，螺旋纤维会自发轴向收缩形成紧密接触的管状螺旋结构。自收缩管状纤维的伸长率可达初始的55倍，可在拉伸状态下打开孔隙实现透气、增强热对流散热；在静止状态下结构致密、通过静止空气有效隔热，实现应变驱动的自适应热调节。
图5. CNT/PU基螺旋纤维的构筑及溶剂驱动特性
如图5所示，通过原位掺杂引入碳纳米管制备增强型纤维肌肉，CNT增强型螺旋纤维在溶剂刺激下产生显著致动行为。中等极性溶剂二氯甲烷、三氯甲烷和二氯乙烯会引发PU基湿纺纤维溶胀，协同螺旋结构放大轴向形变，实现显著的驱动性能。在无负载时，纤维肌肉1s内实现70%的伸长行程，并可以稳定循环100次；在有负载时，负载越大，纤维肌肉的驱动行程和循环稳定性越低。在一定负载范围内，纤维仍保持较好的循环稳定性，并可用于氯代溶剂泄漏报警等场景。
论文链接：https://doi.org/10.1007/s42765-025-00665-z
人物简介：
魏取福，江南大学教授，博士生导师，主要研究方向为纳米纤维功能材料、生物基纤维材料、智能可穿戴材料及其应用。入选教育部新世纪优秀人才。主持和承担了国家重点研发计划、国家高技术研究计划（863）、国家自然科学基金、科技部科研院所专项、教育部创新团队、新世纪人才计划、教育部重点项目等科研项目20余项。相关成果获教育部自然科学二等奖、新疆维吾尔自治区自然科学二等奖、中国商业联合会科学技术一等奖、纺织工业协会教学成果一等奖等科研奖励。主编英文学术专著2部。2020-2024连续五年获得爱思唯尔“中国高被引学者”。
王清清，江南大学副教授，硕士生导师，主要研究方向为智能可穿戴设备、光动力抗菌及除甲醛材料、酶的固定化、医用纺织品。主持国家自然科学基金、江苏省自然科学基金、江西省自然科学基金、中国博士后科学基金面上项目、中央高校科研专项基金、江苏省政策引导类计划(国际科技合作)第一批项目资助、中央引导地方科技发展项目、省级科技创新重点项目以及企业横向科研等项目，与多家企业就光动力纤维及面料的研发建立了长期合作关系。发表SCI检索论文60余篇，申请发明专利多项。
