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中科院青促會(huì)特邀述評(píng)人 

劉遵峰（南開大學(xué)）

穆九柯（美國(guó)德克薩斯州立大學(xué)達(dá)拉斯分校）

  自從工業(yè)革命以來(lái)，人類發(fā)明了內(nèi)燃機(jī)、電機(jī)、氣動(dòng)或液壓等動(dòng)力裝置，對(duì)人類文明的發(fā)展起到了至關(guān)重要的作用。生物體則采用肌肉纖維作為動(dòng)力裝置從而獲得致動(dòng)的效果。人工肌肉是在外界刺激下可獲得伸縮或旋轉(zhuǎn)等運(yùn)動(dòng)形式的單組分材料或器件。如何模擬生物肌肉，制備出人工肌肉纖維，是最近科學(xué)家致力于研究的熱點(diǎn)課題。高性能人工肌肉的研發(fā)將大大推動(dòng)小巧、強(qiáng)勁、靈活的機(jī)器人、假肢、微電機(jī)的設(shè)計(jì)，并可將其應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。常用的人工肌肉材料包括形狀記憶合金、刺激響應(yīng)性高分子、碳納米復(fù)合材料、壓電陶瓷、電活性材料等。如何獲得快的響應(yīng)速率、大的致動(dòng)行程、高的能量密度和功率密度、效率、以及規(guī)模化量產(chǎn)等一直是科學(xué)家努力的方向。

  利用捻曲技術(shù)是制備可以伸縮或旋轉(zhuǎn)的人工肌肉纖維的重要技術(shù)方案。美國(guó)德克薩斯州立大學(xué)達(dá)拉斯分校的Ray Baughman教授課題組首次提出了使用捻曲技術(shù)制備可以旋轉(zhuǎn)、伸縮的碳納米管人工肌肉纖維（1,2）。鑒于碳納米管纖維的制備成本較高，后期該課題組又開發(fā)了基于尼龍和聚乙烯等高分子纖維（3）的人工肌肉。探索不同材料用于該加捻技術(shù)也是一個(gè)可行的途徑，南開大學(xué)劉遵峰課題組基于該捻曲技術(shù)，開發(fā)出彈性體（4）和天然蠶絲（5）的人工肌肉纖維。復(fù)旦大學(xué)的彭慧勝課題組（6）、中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所的李清文和邸江濤課題組（7）、韓國(guó)漢陽(yáng)大學(xué)的Seon Jeong Kim課題組（8）等基于碳納米管纖維及其復(fù)合材料的捻曲結(jié)構(gòu)也做出了對(duì)不同溶劑和不同物質(zhì)響應(yīng)的人工肌肉纖維。清華大學(xué)的曲良體教授課題組（9）和浙江大學(xué)的高超教授課題組（10）在各自的研究中分別基于捻曲技術(shù)制備了石墨烯人工肌肉纖維。

  然而，就目前的進(jìn)展而言，尚未開發(fā)出在響應(yīng)時(shí)間、致動(dòng)行程、能量密度和功率密度、效率、量產(chǎn)化等方面可以進(jìn)行實(shí)用的人工肌肉纖維。在最新一期的Science上，背靠背發(fā)表了來(lái)自于3個(gè)不同課題組的基于捻曲技術(shù)的人工肌肉纖維文章。這三個(gè)工作分別基于不同的原理利用捻曲技術(shù)實(shí)現(xiàn)了人工肌肉纖維的新的突破。

  對(duì)于加捻復(fù)合紗線人工肌肉而言，紗線體積膨脹引起的紗線捻度變化是人工肌肉產(chǎn)生機(jī)械能的關(guān)鍵，而紗線的捻度變化又和單根纖維的捻角息息相關(guān)。單根纖維的捻角從紗線表面到其中心依次遞減，直至接近于零。這意味著，紗線中心部分的纖維在對(duì)于人工肌肉纖維械能轉(zhuǎn)換的貢獻(xiàn)甚微。另外，觸發(fā)源如氣氛，熱能以及電化學(xué)能等傳輸?shù)郊喚�內(nèi)部所需的較長(zhǎng)時(shí)間也限制了人工肌肉纖維的響應(yīng)速度。

  本期Science中，來(lái)自德州大學(xué)達(dá)拉斯分校納米中心的Ray Baughman課題組以及其國(guó)際合作團(tuán)隊(duì)通過(guò)改變載體-活性客體結(jié)構(gòu)分布即將帶來(lái)體積變化的活性客體材料作為殼層分布在載體紗線的外層，以便更有效的利用客體材料的體積變化提高人工肌肉機(jī)械能輸出密度和速率。本文中，研究人員通過(guò)氣體驅(qū)動(dòng)、熱能驅(qū)動(dòng)以及電化學(xué)驅(qū)動(dòng)等多種觸發(fā)源形式展示了這種新型“殼層驅(qū)動(dòng)”形式的在提高纖維人工肌肉機(jī)械能輸出密度以及速率上的優(yōu)越性。借助于這樣的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)，在同樣的氣體源刺激下，殼層驅(qū)動(dòng)人工肌肉纖維的單位質(zhì)量平均機(jī)械能輸出是同等載體/客體質(zhì)量比填充型復(fù)合人工肌肉纖維的2.9倍。另外這種殼層驅(qū)動(dòng)電化學(xué)人工肌肉在相對(duì)高頻電壓觸發(fā)下表現(xiàn)出更明顯的優(yōu)勢(shì)，比如在1 Hz的方波電信號(hào)下，殼層驅(qū)動(dòng)電化學(xué)人工肌肉纖維能完成4.7%的收縮率，其單位質(zhì)量的機(jī)械功密度與功率分別為0.99 J/g 和1.98 W/g，這遠(yuǎn)高于在同等驅(qū)動(dòng)條件下的碳納米管/電解質(zhì)復(fù)合人工肌肉纖維所達(dá)到的0.90%的收縮率以及0.11 J/g 機(jī)械功密度和0.22 W/g功率。

  東華大學(xué)材料學(xué)院的朱美芳教授、王宏志教授等合作者基于這種殼層驅(qū)動(dòng)人工肌肉紗線開發(fā)出一種智能織物，該織物能夠在環(huán)境濕度較高時(shí)自動(dòng)提高本身孔隙率進(jìn)而改善人體穿著舒適度。同時(shí)，該論文還展示了一種能夠感知外界葡萄糖含量并作出肌肉響應(yīng)的殼層驅(qū)動(dòng)人工肌肉，這表明該類結(jié)構(gòu)的人工肌肉在藥物緩釋領(lǐng)域具有較大的潛在應(yīng)用。

圖1. 氣體驅(qū)動(dòng)以及熱能驅(qū)動(dòng)“殼層驅(qū)動(dòng)”纖維人工肌肉的制備流程，以及多種螺旋結(jié)構(gòu)

  在同期的Science中，法國(guó)Université de Bordeaux大學(xué)的Philippe Poulin教授和Jinkai Yuan教授團(tuán)隊(duì)將聚乙烯醇高分子纖維結(jié)合捻曲技術(shù)和“形狀記憶”原理，制備了具有自平衡功能的旋轉(zhuǎn)式的人工肌肉纖維，并通過(guò)摻雜碳納米管和石墨烯將其力學(xué)性能和驅(qū)動(dòng)性能大幅度提高。將PVA纖維加熱到程序溫度(Td，大于玻璃化溫度Tg~80 °C)，如在Td=100 °C下，將PVA加捻，之后降溫，就可以把捻應(yīng)力固定住。再將其加熱到該溫度下，就可以實(shí)現(xiàn)捻應(yīng)力的釋放。通過(guò)使用一個(gè)自平衡的結(jié)構(gòu)可以提高捻度的保留率。添加氧化石墨烯(GO)和單壁碳納米管(SWNT)可以增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)比功率和驅(qū)動(dòng)扭矩。

  對(duì)PVA-GO纖維人工肌肉，在Td=100 °C程序處理的樣品，再次加熱到200 °C的時(shí)候，可以產(chǎn)生~21 N?m/kg的扭矩，這要高于之前報(bào)道的旋轉(zhuǎn)人工肌肉纖維。而將兩端固定的PVA-GO人工肌肉纖維加熱到210 °C，可以產(chǎn)生~0.27  mN?m的扭矩，這要高于PVA-SWNT纖維（0.12 N?m）和純PVA纖維（0.11 mN?m）的扭矩。使用自平衡的結(jié)構(gòu)可以減小捻曲的損失，從而增加能量密度。如，自平衡的PVA-GO纖維人工肌肉可產(chǎn)生2766 J/kg的能量密度，比非自平衡的要高（1800 J/kg）；而自平衡的和非自平衡的PVA-SWNT纖維人工肌肉可產(chǎn)生2766 J/kg的能量密度，比非自平衡的要高（1800 J/kg）；自平衡的PVA-GO纖維人工肌肉可產(chǎn)生628和1115 J/kg能量密度；自平衡的PVA纖維人工肌肉可產(chǎn)生632和925 J/kg能量密度。

圖2. “形狀記憶”PVA, PVA/SWNT, PVA/GO纖維人工肌肉的照片和力學(xué)性能

  另一種利用捻曲結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的伸縮型人工肌肉，是類似黃瓜須的原理 (11)。通常情況下，如果有兩層具有熱膨脹系數(shù)不同的材料貼在一起，在加熱的情況下它將會(huì)發(fā)生彎曲。如果將其做成螺旋，將會(huì)把這種彎曲運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為伸縮運(yùn)動(dòng)。基于這種原理的人工肌肉的研究，其挑戰(zhàn)是如何規(guī)模化生產(chǎn)具有不同尺寸的人工肌肉纖維，并且如何獲得高的響應(yīng)時(shí)間和簡(jiǎn)化驅(qū)動(dòng)過(guò)程中的能量轉(zhuǎn)換過(guò)程，此外具有反饋功能的人工肌肉尚未報(bào)道。

  美國(guó)麻省理工學(xué)院(MIT)的Polina Anikeevak教授團(tuán)隊(duì)在同期的Science上報(bào)道了一種可以將類“黃瓜須”結(jié)構(gòu)的人工肌肉進(jìn)行規(guī)模化制備的方法，且該方法能夠制備出不同尺寸的人工肌肉纖維。簡(jiǎn)單的原理是通過(guò)“冷拉”技術(shù)，制備含有聚乙烯（PE）和環(huán)烷烴彈性共聚物(COCe)的雙層不規(guī)則纖維。在“冷拉”的過(guò)程中，COCe彈性體被拉長(zhǎng)，該復(fù)合纖維在釋放預(yù)拉伸之后，縮回自動(dòng)生成了“黃瓜須結(jié)構(gòu)”。

  具有橫截面尺寸為300 mm×470 mm的“黃瓜須”人工肌肉纖維在3 s照射/10 s休息的頻率下，可以獲得3.45 °C的溫差，并產(chǎn)生36.23 mN的力。在升溫速率為1.113.45 °C/s下，可以產(chǎn)生13.25 N/s的致動(dòng)速率，功率密度達(dá)到75 W kg^-1，超過(guò)了人類肌肉。該課題組又制作了一個(gè)橫截面尺寸為8 mm×12.5 mm的“黃瓜須”人工肌肉纖維。在升溫速率為11.09 °C/s下，可以產(chǎn)生371 mN的力。在升溫速率為130.3 °C/s下，可以6.33 N/s的致動(dòng)速率，功率密度達(dá)到90 W kg^-1。此外，通過(guò)在其表面涂覆銀納米線，可以將人工肌肉在制動(dòng)過(guò)程中的長(zhǎng)度變化通過(guò)電阻變化進(jìn)行測(cè)量。

圖3. 該黃瓜須結(jié)構(gòu)的人工肌肉制備示意圖和照片

  這三個(gè)工作的意義在于：（1）通過(guò)“殼驅(qū)動(dòng)”結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)捻曲技術(shù)人工肌肉的性能進(jìn)行突破性提升，獲得更大的功率密度和能量密度；（2）創(chuàng)造性的通過(guò)“形狀記憶”效應(yīng)，獲得大功率密度和能量密度的微型纖維電機(jī)；（3）規(guī)模化制備尺寸可控的捻曲人工肌肉，使捻曲人工肌肉的量產(chǎn)之路更加明晰。上述研究分別從提高人工肌肉纖維的做功能力，響應(yīng)時(shí)間，力量，以及規(guī)模化制備方面做出了一定的突破，使人工肌肉纖維的發(fā)展邁上了一個(gè)新的臺(tái)階，也為后續(xù)人工肌肉纖維的研究指出了可行的方向。

評(píng)述論文：

Sheath-run artificial muscles（Science 12 July 2019: Vol 365, Issue 6449）

https://science.sciencemag.org/content/365/6449/150

Shape memory nanocomposite fibers for untethered high-energy microengines (Science 12 July 2019: Vol 365, Issue 6449)

https://science.sciencemag.org/content/365/6449/155

Strain-programmable fiber-based artificial muscle (Science 12 July 2019: Vol 365, Issue 6449)

https://science.sciencemag.org/content/365/6449/145