中科院青促會特邀述評人
劉遵峰（南開大學）
穆九柯（美國德克薩斯州立大學達拉斯分校）
自從工業(yè)革命以來，人類發(fā)明了內(nèi)燃機、電機、氣動或液壓等動力裝置，對人類文明的發(fā)展起到了至關重要的作用。生物體則采用肌肉纖維作為動力裝置從而獲得致動的效果。人工肌肉是在外界刺激下可獲得伸縮或旋轉(zhuǎn)等運動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，是最近科學家致力于研究的熱點課題。高性能人工肌肉的研發(fā)將大大推動小巧、強勁、靈活的機器人、假肢、微電機的設計，并可將其應用于生物醫(yī)學領域。常用的人工肌肉材料包括形狀記憶合金、刺激響應性高分子、碳納米復合材料、壓電陶瓷、電活性材料等。如何獲得快的響應速率、大的致動行程、高的能量密度和功率密度、效率、以及規(guī)；慨a(chǎn)等一直是科學家努力的方向。
利用捻曲技術是制備可以伸縮或旋轉(zhuǎn)的人工肌肉纖維的重要技術方案。美國德克薩斯州立大學達拉斯分校的Ray Baughman教授課題組首次提出了使用捻曲技術制備可以旋轉(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也是一個可行的途徑，南開大學劉遵峰課題組基于該捻曲技術，開發(fā)出彈性體（4）和天然蠶絲（5）的人工肌肉纖維。復旦大學的彭慧勝課題組（6）、中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所的李清文和邸江濤課題組（7）、韓國漢陽大學的Seon Jeong Kim課題組（8）等基于碳納米管纖維及其復合材料的捻曲結構也做出了對不同溶劑和不同物質(zhì)響應的人工肌肉纖維。清華大學的曲良體教授課題組（9）和浙江大學的高超教授課題組（10）在各自的研究中分別基于捻曲技術制備了石墨烯人工肌肉纖維。
然而，就目前的進展而言，尚未開發(fā)出在響應時間、致動行程、能量密度和功率密度、效率、量產(chǎn)化等方面可以進行實用的人工肌肉纖維。在最新一期的Science上，背靠背發(fā)表了來自于3個不同課題組的基于捻曲技術的人工肌肉纖維文章。這三個工作分別基于不同的原理利用捻曲技術實現(xiàn)了人工肌肉纖維的新的突破。
對于加捻復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)生機械能的關鍵，而紗線的捻度變化又和單根纖維的捻角息息相關。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于人工肌肉纖維械能轉(zhuǎn)換的貢獻甚微。另外，觸發(fā)源如氣氛，熱能以及電化學能等傳輸?shù)郊喚內(nèi)部所需的較長時間也限制了人工肌肉纖維的響應速度。
本期Science中，來自德州大學達拉斯分校納米中心的Ray Baughman課題組以及其國際合作團隊通過改變載體-活性客體結構分布即將帶來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械能輸出密度和速率。本文中，研究人員通過氣體驅(qū)動、熱能驅(qū)動以及電化學驅(qū)動等多種觸發(fā)源形式展示了這種新型“殼層驅(qū)動”形式的在提高纖維人工肌肉機械能輸出密度以及速率上的優(yōu)越性。借助于這樣的結構優(yōu)勢，在同樣的氣體源刺激下，殼層驅(qū)動人工肌肉纖維的單位質(zhì)量平均機械能輸出是同等載體/客體質(zhì)量比填充型復合人工肌肉纖維的2.9倍。另外這種殼層驅(qū)動電化學人工肌肉在相對高頻電壓觸發(fā)下表現(xiàn)出更明顯的優(yōu)勢，比如在1 Hz的方波電信號下，殼層驅(qū)動電化學人工肌肉纖維能完成4.7%的收縮率，其單位質(zhì)量的機械功密度與功率分別為0.99 J/g 和1.98 W/g，這遠高于在同等驅(qū)動條件下的碳納米管/電解質(zhì)復合人工肌肉纖維所達到的0.90%的收縮率以及0.11 J/g 機械功密度和0.22 W/g功率。
東華大學材料學院的朱美芳教授、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)境濕度較高時自動提高本身孔隙率進而改善人體穿著舒適度。同時，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的殼層驅(qū)動人工肌肉，這表明該類結構的人工肌肉在藥物緩釋領域具有較大的潛在應用。
圖1. 氣體驅(qū)動以及熱能驅(qū)動“殼層驅(qū)動”纖維人工肌肉的制備流程，以及多種螺旋結構
在同期的Science中，法國Université de Bordeaux大學的Philippe Poulin教授和Jinkai Yuan教授團隊將聚乙烯醇高分子纖維結合捻曲技術和“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，并通過摻雜碳納米管和石墨烯將其力學性能和驅(qū)動性能大幅度提高。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，就可以把捻應力固定住。再將其加熱到該溫度下，就可以實現(xiàn)捻應力的釋放。通過使用一個自平衡的結構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)可以增強驅(qū)動比功率和驅(qū)動扭矩。
對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的時候，可以產(chǎn)生~21 N?m/kg的扭矩，這要高于之前報道的旋轉(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。使用自平衡的結構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性能
另一種利用捻曲結構實現(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發(fā)生彎曲。如果將其做成螺旋，將會把這種彎曲運動轉(zhuǎn)換為伸縮運動；谶@種原理的人工肌肉的研究，其挑戰(zhàn)是如何規(guī)；a(chǎn)具有不同尺寸的人工肌肉纖維，并且如何獲得高的響應時間和簡化驅(qū)動過程中的能量轉(zhuǎn)換過程，此外具有反饋功能的人工肌肉尚未報道。
美國麻省理工學院(MIT)的Polina Anikeevak教授團隊在同期的Science上報道了一種可以將類“黃瓜須”結構的人工肌肉進行規(guī)；苽涞姆椒，且該方法能夠制備出不同尺寸的人工肌肉纖維。簡單的原理是通過“冷拉”技術，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”的過程中，COCe彈性體被拉長，該復合纖維在釋放預拉伸之后，縮回自動生成了“黃瓜須結構”。
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的致動速率，功率密度達到75 W kg-1，超過了人類肌肉。該課題組又制作了一個橫截面尺寸為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的致動速率，功率密度達到90 W kg-1。此外，通過在其表面涂覆銀納米線，可以將人工肌肉在制動過程中的長度變化通過電阻變化進行測量。
圖3. 該黃瓜須結構的人工肌肉制備示意圖和照片
這三個工作的意義在于：（1）通過“殼驅(qū)動”結構設計對捻曲技術人工肌肉的性能進行突破性提升，獲得更大的功率密度和能量密度；（2）創(chuàng)造性的通過“形狀記憶”效應，獲得大功率密度和能量密度的微型纖維電機；（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，響應時間，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)展邁上了一個新的臺階，也為后續(xù)人工肌肉纖維的研究指出了可行的方向。
評述論文：
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
