Science最新评述：捻曲结构造就强大的人工肌肉纤维

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中科院青促会特邀述评人 

刘遵峰（南开大学）

穆九柯（美国德克萨斯州立大学达拉斯分校）

自从工业革命以来，人类发明了内燃机、电机、气动或液压等动力装置，对人类文明的发展起到了至关重要的作用。生物体则采用肌肉纤维作为动力装置从而获得致动的效果。人工肌肉是在外界刺激下可获得伸缩或旋转等运动形式的单组分材料或器件。如何模拟生物肌肉，制备出人工肌肉纤维，是最近科学家致力于研究的热点课题。高性能人工肌肉的研发将大大推动小巧、强劲、灵活的机器人、假肢、微电机的设计，并可将其应用于生物医学领域。常用的人工肌肉材料包括形状记忆合金、刺激响应性高分子、碳纳米复合材料、压电陶瓷、电活性材料等。如何获得快的响应速率、大的致动行程、高的能量密度和功率密度、效率、以及规模化量产等一直是科学家努力的方向。

利用捻曲技术是制备可以伸缩或旋转的人工肌肉纤维的重要技术方案。美国德克萨斯州立大学达拉斯分校的Ray Baughman教授课题组首次提出了使用捻曲技术制备可以旋转、伸缩的碳纳米管人工肌肉纤维（1,2）。鉴于碳纳米管纤维的制备成本较高，后期该课题组又开发了基于尼龙和聚乙烯等高分子纤维（3）的人工肌肉。探索不同材料用于该加捻技术也是一个可行的途径，南开大学刘遵峰课题组基于该捻曲技术，开发出弹性体（4）和天然蚕丝（5）的人工肌肉纤维。复旦大学的彭慧胜课题组（6）、中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所的李清文和邸江涛课题组（7）、韩国汉阳大学的Seon Jeong Kim课题组（8）等基于碳纳米管纤维及其复合材料的捻曲结构也做出了对不同溶剂和不同物质响应的人工肌肉纤维。清华大学的曲良体教授课题组（9）和浙江大学的高超教授课题组（10）在各自的研究中分别基于捻曲技术制备了石墨烯人工肌肉纤维。

然而，就目前的进展而言，尚未开发出在响应时间、致动行程、能量密度和功率密度、效率、量产化等方面可以进行实用的人工肌肉纤维。在最新一期的Science上，背靠背发表了来自于3个不同课题组的基于捻曲技术的人工肌肉纤维文章。这三个工作分别基于不同的原理利用捻曲技术实现了人工肌肉纤维的新的突破。

对于加捻复合纱线人工肌肉而言，纱线体积膨胀引起的纱线捻度变化是人工肌肉产生机械能的关键，而纱线的捻度变化又和单根纤维的捻角息息相关。单根纤维的捻角从纱线表面到其中心依次递减，直至接近于零。这意味着，纱线中心部分的纤维在对于人工肌肉纤维械能转换的贡献甚微。另外，触发源如气氛，热能以及电化学能等传输到纱线内部所需的较长时间也限制了人工肌肉纤维的响应速度。

本期Science中，来自德州大学达拉斯分校纳米中心的Ray Baughman课题组以及其国际合作团队通过改变载体-活性客体结构分布即将带来体积变化的活性客体材料作为壳层分布在载体纱线的外层，以便更有效的利用客体材料的体积变化提高人工肌肉机械能输出密度和速率。本文中，研究人员通过气体驱动、热能驱动以及电化学驱动等多种触发源形式展示了这种新型“壳层驱动”形式的在提高纤维人工肌肉机械能输出密度以及速率上的优越性。借助于这样的结构优势，在同样的气体源刺激下，壳层驱动人工肌肉纤维的单位质量平均机械能输出是同等载体/客体质量比填充型复合人工肌肉纤维的2.9倍。另外这种壳层驱动电化学人工肌肉在相对高频电压触发下表现出更明显的优势，比如在1 Hz的方波电信号下，壳层驱动电化学人工肌肉纤维能完成4.7%的收缩率，其单位质量的机械功密度与功率分别为0.99 J/g 和1.98 W/g，这远高于在同等驱动条件下的碳纳米管/电解质复合人工肌肉纤维所达到的0.90%的收缩率以及0.11 J/g 机械功密度和0.22 W/g功率。

东华大学材料学院的朱美芳教授、王宏志教授等合作者基于这种壳层驱动人工肌肉纱线开发出一种智能织物，该织物能够在环境湿度较高时自动提高本身孔隙率进而改善人体穿着舒适度。同时，该论文还展示了一种能够感知外界葡萄糖含量并作出肌肉响应的壳层驱动人工肌肉，这表明该类结构的人工肌肉在药物缓释领域具有较大的潜在应用。

图1. 气体驱动以及热能驱动“壳层驱动”纤维人工肌肉的制备流程，以及多种螺旋结构

在同期的Science中，法国Université de Bordeaux大学的Philippe Poulin教授和Jinkai Yuan教授团队将聚乙烯醇高分子纤维结合捻曲技术和“形状记忆”原理，制备了具有自平衡功能的旋转式的人工肌肉纤维，并通过掺杂碳纳米管和石墨烯将其力学性能和驱动性能大幅度提高。将PVA纤维加热到程序温度(Td，大于玻璃化温度Tg~80 °C)，如在Td=100 °C下，将PVA加捻，之后降温，就可以把捻应力固定住。再将其加热到该温度下，就可以实现捻应力的释放。通过使用一个自平衡的结构可以提高捻度的保留率。添加氧化石墨烯(GO)和单壁碳纳米管(SWNT)可以增强驱动比功率和驱动扭矩。

对PVA-GO纤维人工肌肉，在Td=100 °C程序处理的样品，再次加热到200 °C的时候，可以产生~21 N•m/kg的扭矩，这要高于之前报道的旋转人工肌肉纤维。而将两端固定的PVA-GO人工肌肉纤维加热到210 °C，可以产生~0.27  mN•m的扭矩，这要高于PVA-SWNT纤维（0.12 N•m）和纯PVA纤维（0.11 mN•m）的扭矩。使用自平衡的结构可以减小捻曲的损失，从而增加能量密度。如，自平衡的PVA-GO纤维人工肌肉可产生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纤维人工肌肉可产生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纤维人工肌肉可产生628和1115 J/kg能量密度；自平衡的PVA纤维人工肌肉可产生632和925 J/kg能量密度。

图2. “形状记忆”PVA, PVA/SWNT, PVA/GO纤维人工肌肉的照片和力学性能

另一种利用捻曲结构实现的伸缩型人工肌肉，是类似黄瓜须的原理 (11)。通常情况下，如果有两层具有热膨胀系数不同的材料贴在一起，在加热的情况下它将会发生弯曲。如果将其做成螺旋，将会把这种弯曲运动转换为伸缩运动。基于这种原理的人工肌肉的研究，其挑战是如何规模化生产具有不同尺寸的人工肌肉纤维，并且如何获得高的响应时间和简化驱动过程中的能量转换过程，此外具有反馈功能的人工肌肉尚未报道。

美国麻省理工学院(MIT)的Polina Anikeevak教授团队在同期的Science上报道了一种可以将类“黄瓜须”结构的人工肌肉进行规模化制备的方法，且该方法能够制备出不同尺寸的人工肌肉纤维。简单的原理是通过“冷拉”技术，制备含有聚乙烯（PE）和环烷烃弹性共聚物(COCe)的双层不规则纤维。在“冷拉”的过程中，COCe弹性体被拉长，该复合纤维在释放预拉伸之后，缩回自动生成了“黄瓜须结构”。

具有横截面尺寸为300 mm×470 mm的“黄瓜须”人工肌肉纤维在3 s照射/10 s休息的频率下，可以获得3.45 °C的温差，并产生36.23 mN的力。在升温速率为1.113.45 °C/s下，可以产生13.25 N/s的致动速率，功率密度达到75 W kg^-1，超过了人类肌肉。该课题组又制作了一个横截面尺寸为8 mm×12.5 mm的“黄瓜须”人工肌肉纤维。在升温速率为11.09 °C/s下，可以产生371 mN的力。在升温速率为130.3 °C/s下，可以6.33 N/s的致动速率，功率密度达到90 W kg^-1。此外，通过在其表面涂覆银纳米线，可以将人工肌肉在制动过程中的长度变化通过电阻变化进行测量。

图3. 该黄瓜须结构的人工肌肉制备示意图和照片

这三个工作的意义在于：（1）通过“壳驱动”结构设计对捻曲技术人工肌肉的性能进行突破性提升，获得更大的功率密度和能量密度；（2）创造性的通过“形状记忆”效应，获得大功率密度和能量密度的微型纤维电机；（3）规模化制备尺寸可控的捻曲人工肌肉，使捻曲人工肌肉的量产之路更加明晰。上述研究分别从提高人工肌肉纤维的做功能力，响应时间，力量，以及规模化制备方面做出了一定的突破，使人工肌肉纤维的发展迈上了一个新的台阶，也为后续人工肌肉纤维的研究指出了可行的方向。

评述论文：

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

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