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  天然肌肉，是人體運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)組成部分，人體要想實(shí)現(xiàn)各種各樣的運(yùn)動(dòng)都離不開肌肉收縮。那么天然肌肉是如何實(shí)現(xiàn)感知、驅(qū)動(dòng)與控制的呢？如圖1所示，梭外肌纖維接收來自大腦發(fā)出的電信號(hào)，通過α運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元傳遞至肌漿網(wǎng)控制鈣離子進(jìn)出細(xì)胞質(zhì)膜，從而引起肌肉收縮。梭內(nèi)肌纖維作為感覺肌肉的運(yùn)動(dòng)的本體感受器，即檢測(cè)梭外肌纖維的長(zhǎng)度變化，并通過γ運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元傳遞至中樞神經(jīng)系統(tǒng)。而α-γ運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元的相互協(xié)調(diào)運(yùn)作，對(duì)控制人體運(yùn)動(dòng)過程種起重要作用。模仿人類肌肉的驅(qū)動(dòng)原理，可以為構(gòu)建新型的神經(jīng)、傳感、驅(qū)動(dòng)于一體的人工肌肉提供靈感。

圖1 人工肌肉模仿天然骨骼肌和神經(jīng)元系統(tǒng)示意圖。

  近日，南開大學(xué)劉遵峰教授課題組使用天然橡膠纖維和碳納米管，構(gòu)建出集神經(jīng)傳導(dǎo)、驅(qū)動(dòng)、感知一體的人工肌肉纖維。通過電加熱碳納米管層引起橡膠熵彈性變化，實(shí)現(xiàn)橡膠纖維收縮驅(qū)動(dòng)。而收縮過程中，雙鞘層碳納米管褶皺接觸面積增加引起電阻增加。因此，可以通過測(cè)量電阻的大小監(jiān)測(cè)肌肉的長(zhǎng)度變化。此外，還經(jīng)過設(shè)計(jì)反饋回路，可通過設(shè)置電阻上限和下限來自動(dòng)連接和斷開肌肉，這模擬了人在提重物時(shí)，超過人的負(fù)荷，可自動(dòng)松弛以避免肌肉拉傷。如圖2所示。該研究設(shè)計(jì)的人工肌肉纖維為制備新型人工肌肉和軟體機(jī)器人提供了新設(shè)計(jì)策略。

圖2 自動(dòng)控制人工肌肉及爬行機(jī)器人。

  相關(guān)成果以“Tensile and Torsional Elastomer Fiber Artificial Muscle by Entropic Elasticity with Thermo-Piezoresistive Sensing of Strain and Rotation by Single Electric Signal”發(fā)表在Materials Horizons上。

  原文鏈接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/mh/d0mh01003k#!divAbstract