“四两拨千斤”：人工肌肉材料制备又有新解

气体和热能引发“壳驱动”人造肌纤维和各种螺旋结构的制备过程(由受访者提供)

扭曲的“麻线”能自动解开什么样的力量？

7月12日，美国达拉斯德克萨斯大学教授雷·鲍曼和国际合作伙伴的研究小组在新一期《科学》杂志上发表了一篇文章，提出了一种人工肌肉纤维的创新制备方法——用活性物质作为外壳覆盖载体纤维，从而更有效地提高人工肌肉纤维的机械功输出密度和速度。

在此之前，包曼等人提出使用扭曲技术来制备人造肌肉纤维。用这种技术制备的纤维可以旋转和拉伸。随后，南开大学、复旦大学、东华大学、中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所等机构的研究人员相继实现了基于该技术在不同材料体系中制备人造肌纤维。

这次公布的结果是包曼团队对制备技术的又一次升级。

“海底寻针”

人们在日常生活中看到的大多数成品纤维都经过了一定的加捻处理。如果一根由许多纤维制成的绳子被扭开，绳子的直径就会膨胀变大。“直径方向变粗，轴方向变短。如果这些纤维能自动解开并恢复，在这个过程中就会产生机械能。”论文的第一作者、德州大学穆久科分校艾伦·麦克迪尔米德纳米中心的成员解释道。通过这个例子，我们可以初步了解人工肌肉纤维的工作原理。

借助客体材料，必须找到正确的驱动方式，选择合适的材料和高效的结构，实现纤维的最大回收分散和解捻。一直以来，高性能人工肌肉纤维材料的制备是研究者们希望克服的困难。然而，在不同的应用场景中，将不同的驱动模式与材料相匹配并找到最优解与“海底针搜索”没有什么不同。

解开人造肌纤维的驱动方法有很多，如气体驱动、热能驱动和电化学驱动。以不同方式产生的能量传递给纱线，从而导致其体积变化。在这个过程中，纱线的捻度变化是机械能产生的关键，单根纤维的捻度角与纱线的捻度密切相关。此外，如果模拟肌肉运动的材料可以更轻，克服自身质量所消耗的能量将大大减少，从而提高能量输出。

雷·包曼的团队在长期探索中发现，人造肌肉纤维的外层是提供机械能输出的主要部分，而纱线中心部分的纤维在机械能转换过程中贡献很小。

他们还发现，无论是气体产生的能量、热能还是电化学能量都需要很长时间才能转移到纱线中，这是限制人造肌肉纤维反应速度的主要原因。

创新结构

为了解决上述问题，研究小组提出了一种新的结构模式——原来填充在整个纤维中的活性客体材料集中在纱载体的外层，从而形成壳结构。活性壳材料在各种驱动模式的触发下产生体积膨胀，从而使人造肌纤维能够解捻并产生机械能。

穆久科告诉《中国科学报》，根据不同的触发方式，研究小组选择了包括聚合物和碳纳米管纤维在内的多种活性材料作为人工肌肉材料的外壳。

该论文的通讯作者雷·包曼说:“选择合适的外壳厚度也很重要。如果外壳太厚，内部的纱线将很难扭转，降低了人造肌肉的机械能输出。如果太薄，内芯纱的大规模解捻将导致外壳材料破裂和变形，从而影响人造肌肉的循环稳定性。”

另外，穆久科等人在实验中有一个重要发现:在制备壳材料时，必须保持凝胶状态。“如果外壳材料太干，它会在扭曲过程中分解。为了保持弹性，我们在材料中添加了一些能够保持弹性的溶剂。”穆久科说。

实验结果表明，无论是气体驱动、热能驱动还是电化学驱动，壳驱动人工肌肉材料在响应速度和输出功率密度方面都有很大优势。

在电化学触发条件下，单位质量壳结构人工肌肉纤维的机械功率可达1.98瓦/克，是人体肌肉的40多倍研究小组在文章中总结道。

成本更低的解决方案

在此基础上，研究小组做了另一件事——选择成本较低的商用纤维来替代碳纳米管纤维。

穆久科告诉记者，碳纳米管纱线本身就很贵，相当多的种类每克要几百美元。实验结果表明，在相同的驱动条件下，具有壳结构和商用纤维材料的人工肌肉也表现出较高的机械能输出，可以节约人工肌肉的制备成本。

这种新的人工肌肉制备技术使用廉价的商业纤维代替碳纳米管纱线，对机器人和自适应织物等智能结构材料的开发具有巨大的吸引力包曼在接受媒体采访时说。此外，本研究中采用的活性物质浸涂法是工业上常用的成熟方法。“这种简单的聚合物涂覆方法为材料的大规模商业应用提供了可能性”。

将来，该研究小组还将探索其他可用作外壳材料的材料。"许多在外部刺激下体积发生变化的材料可以用作外壳材料."包曼说。

“人工肌肉不仅可以提供机械力的输出，还具有传感和反馈功能，这也是我们未来的研究方向之一。”穆久科说。