武汉大学常春雨课题组《ACS Nano》：溶剂驱动仿生形状记忆水凝胶人工肌肉

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人工肌肉是一种可以根据外部刺激可逆收缩/伸长、弯曲或旋转的一类智能软材料，在软机器人、假体义肢和微型流体驱动器等各种应用中显示出巨大的潜力。尽管电磁引擎一直被用于驱动机器人和假肢设备中，但这些驱动器往往具有刚性、笨重的性能以及沉重的质量，限制了它们在有限的空间中提供尽可能大的驱动行程，而不能像人体肌肉一样可以灵活地驱动人的身体。因此，人工肌肉材料迅速得到发展，它们试图模仿自然肌肉的结构和功能。但要模仿像人体组织一样以水为主要成分的天然肌肉的结构和功能，仍然面临巨大的挑战。由大量水组成的水凝胶材料类似于生物软组织，但水凝胶薄弱的力学性能往往阻碍其实际应用。为了解决这一问题，人们通过采用不同的策略来优化聚合物网络，如拓扑水凝胶、双网络水凝胶和纳米复合水凝胶等。这些水凝胶虽然具有优异的力学强度的水凝胶，但由于它们的各向同性网络，这些水凝胶膨胀/收缩同样呈现出各向同性的特点。因此，制备与人体肌肉含水量相当、大冲程、高工作容量的人工肌肉仍然是一项巨大的挑战。

近日，武汉大学常春雨课题组受植物卷须启发，提出了一种简单而有效的策略来制备卷须状水凝胶人工肌肉，可以实现大冲程、高工作容量，并具有形状记忆特性。水凝胶肌肉还能够像自然界中的植物卷须一样实现卷曲、收缩以及捕捉支撑物等动作，这种收缩甚至可以驱动汽车模型的运动。这项工作为解决水凝胶人工肌肉制造具有大行程驱动、高工作容量和形状记忆特性的局限性提供了一种策略。相关工作以“Bioinspired Shape Memory Hydrogel Artificial Muscles Driven by Solvents”为题，发表在《ACS Nano》上。

如图1所示，水凝胶人工肌肉以环糊精修饰的海鞘纤维素纳米晶体作为增强相和多功能交联剂，分散在丙烯酰胺、丙烯酸、丙烯酰胺金刚烷混合溶液中，引发聚合制备高延展性复合水凝胶。该凝胶经过定向拉伸-加捻-缠绕连续操作，形成弹簧状水凝胶，再经过铁离子交联，得到水凝胶人工肌肉。

图1. 水凝胶人工肌肉的合成。（a）水凝胶人工肌肉制备流程及网络结构示意图。（b）同向手性和反向手性水凝胶肌肉的取向过程。

值得注意的是，由于水凝胶加捻和螺旋方向具有手性，水凝胶肌肉可形成两种螺旋结构：同向手性肌肉和反向手性肌肉两种。这两种肌肉在溶剂刺激响应中展现出了截然相反的性能。反向手性肌肉在乙醇中快速收缩，在水中伸长恢复；而同向手性肌肉在乙醇中伸长，在水中恢复收缩，如图2所示。

图2. 水凝胶肌肉的驱动动力学和形态。反向手性水凝胶肌肉的实物图（a）和驱动动力学与含水量（b）。同向手性水凝胶肌肉的实物图（c）和驱动动力学与含水量（d）。（e, f）水凝胶肌肉的SEM图像。

水凝胶肌肉的驱动性能与水凝胶纤维的加捻密度密切相关。加捻密度对肌肉的驱动速度和驱动位移的影响示于图3，可以看出在加捻密度为469 turns m^-1时，肌肉的驱动速度最快，反向手性肌肉的速度达到-13.7% s^-1，而收缩位移也达到了-65%。而同向手性肌肉的伸长速率可达17.9% s^-1，位移达到473%。反向手性肌肉在乙醇喷雾的刺激下可以稳定产生0.15 MPa的收缩应力，而同向手性肌肉在水喷雾的刺激下可以产生0.22 MPa的收缩应力。反向手性肌肉的工作能力最大达到1.6 J kg^-1而同向手性肌肉可达11.8 J kg^-1。

图3. 水凝胶肌肉的驱动性能。反向手性水凝胶肌肉（a）和同向手性水凝胶肌肉（d）的初始驱动速度和驱动应变对扭转密度的关系。反向手性水凝胶肌肉（b）和同向手性水凝胶肌肉（e）对乙醇和水喷雾响应的驱动应力变化。反向手性水凝胶肌肉（c）反向手性肌肉和同向手性肌肉（f）的驱动应变和工作能力对外加应力的关系。

水凝胶肌肉还可以通过形状记忆效应实现对自然界卷须动作的模拟。如图4所示，水凝胶肌肉可在乙醇中脱水形成两种暂时形状。通过在乙醇中将水凝胶拉直或解旋，得到形状Ⅰ和形状Ⅱ。形状Ⅰ在水喷雾下受到刺激恢复为原来形状，这个过程成功模拟出黄瓜卷须在自然界中的运动模式，包括卷须的攀附缠绕和轴向收缩产生手性结的特点。而形状Ⅱ则可以实现更大距离的收缩，产生更大的工作能力（42.4 J kg^-1），这与自然肌肉的工作能力相当。将形状Ⅱ的水凝胶用在模型小车的引擎上，通过对水凝胶施加湿度刺激，水凝胶肌肉恢复，实现收缩，带动小车向前行驶。

图4. 同向手性水凝胶肌肉的形状记忆效应及其应用。（a）同向手性水凝胶的形状记忆效应示意图。（b）同向手性水凝胶的驱动应变和工作容量随外加应力的变化。（c）单端栓系同向手性水凝胶Ⅰ对水的刺激响应。（d）两端栓系同向手性水凝胶Ⅰ对水的刺激响应。（e）两端栓系同向手性水凝胶Ⅱ对水的刺激响应。（f）以同向手性水凝胶为引擎，由水喷雾驱动的小车模型运动。

本工作报道一种新型仿生水凝胶人工肌肉的制备方法。利用纳米纤维素增强水凝胶的力学性能，通过牵伸、加捻、缠绕等力场控制纳米纤维素的排列方式，赋予水凝胶肌肉高强度以及收缩或伸长的能力。该水凝胶人工肌肉含水量以及工作容量与自然肌肉媲美，可用于微引擎、软机器人等领域，为人工肌肉的开发和应用提供了新思路。 

武汉大学化学与分子科学学院硕士研究生崔言德为本文第一作者，通讯作者为武汉大学化学与分子科学学院常春雨副教授。该研究得到了国家自然科学基金（52073217, 51873164），国家重点研究发展计划（2018YFE0123700）和湖北省重点研究发展计划（2020BCA079）的资助。

论文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.1c05019

课题组主页：

https://www.x-mol.com/groups/Chang_cy

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