华南理工刘伟峰和广东工大邱学青《Nat. Commun.》：基于机械训练和木质素协同配位增强的人工肌肉功能弹性体复合材料
人体骨骼肌具有优异的机械训练自增强、应变硬化、智能驱动等综合特征，使得肌肉能够不断自我强化抵抗外界作用力，并能根据神经系统的电流信号对外做功来改造环境。受之启发的人工肌肉功能材料在医疗器械、机器人、智能驱动等领域具有重要的应用前景。但是，要把人体骨骼肌的这些优异特征全部集成到单一合成材料上是一个巨大的挑战。
图1 人体骨骼肌基本特征
近日，华南理工大学刘伟峰和广东工业大学邱学青教授团队使用极其常见的三元乙丙橡胶（EPDM）和极其普通的工业木质素（一般人都不会注意它）为原料，利用木质素协同配位增强的功能，结合机械训练方法，首次构建出同时具备机械训练自增强、应变硬化和智能驱动等综合特征的人工肌肉功能材料。
图2 人工肌肉制备和变形机理示意图
首先向EPDM基体内添加具有配位能力的木质素作为绿色增强剂，同时在木质素与EPDM相界面引入锌离子配位键，再通过反复的机械训练，促使配位交联网络重排，构建出具有局部链段稳定取向的EPDM复合材料。重构的配位交联网络不但能集中断裂耗散能量，而且能更有效促进链段取向结晶，使材料呈现机械训练自增强和应变硬化的特点。并且，EPDM特殊的链段微结构使复合材料能在外界热/电刺激下往复对外做功，执行应变可超过40%，执行应力高达1.5 MPa（人体骨骼肌的执行应变40%，执行应力0.35 MPa），能提起自身重量10000倍的重物，具有出色的对外做功能力。
图3 人工肌肉智能驱动性能
这项工作的意义在于：
1、首次提出动态配位键与机械训练结合的策略，通过机械训练过程对配位键反复断裂重构，最终实现橡胶链段的局部稳定取向；
2、利用木质素自身丰富的含氧极性官能团优势，提出木质素协同配位增强的策略，再次证明工业木质素这一废弃生物质资源可以构建功能性绿色高分子复合材料。
相关成果以“Biomimetic High Performance Artificial Muscle Built on Sacrificial Coordination Network and Mechanical Training Process”为题，近期发表在 Nature Communications上。论文第一作者为华南理工大学化学化工学院博士生涂志凯，华南理工大学刘伟峰和广东工业大学邱学青为论文共同通讯作者，华南理工大学机械学院博士后王晋为论文共同作者。成果得到国家自然科学基金项目（22038004, 22078116, 21706082）、广东省基金项目（2020B1111380002, 2019A1515012154, 2018B030311052）等资助。
原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-021-23204-x
近年来，作者团队将木质素协同配位增强的策略应用到橡胶弹性体补强，制备了一系列高性能的木质素改性橡胶复合材料，可实现木质素对传统炭黑填料一半以上的替代，甚至可实现木质素替代传统塑料相、制备出以木质素为塑料相的热塑性弹性体复合材料，还可以实现木质素增强传统橡胶的功能化和智能化，相关成果获得了系列授权发明专利，欢迎交流合作。
1. Biomimetic High Performance Artificial Muscle Built on Sacrificial Coordination Network and Mechanical Training Process. Nature Communication 2021, 12, 2916.
https://www.nature.com/articles/s41467-021-23204-x
2. High Performance Thermoplastic Elastomers with Biomass Lignin as Plastic Phase: ACS Sustainable Chem. Eng. 2019, 7, 7, 6550–6560.
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acssuschemeng.8b04936
3. Effects of sacrificial coordination bonds on the mechanical performance of lignin-based thermoplastic elastomer composites: International Journal of Biological Macromolecules 2021, 66,
https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2021.04.188
4. Lignin reinforced NBR/PVC composites via metal coordination interactions. Ind. Eng. Chem. Res. 2019, 58(51), 23114-23123. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.iecr.9b05198
5. Lignin-reinforced ethylene-propylene-diene copolymer elastomer via hydrogen bonding interactions. Macromol. Mater. Eng. 2019, 304(4), 1800689.
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/mame.201800689
6. Bioinspired engineering towards tailoring advanced lignin/rubber elastomers. Polymers, 2018, 10(9), 1033.
https://www.mdpi.com/2073-4360/10/9/1033
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