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新进展!华南理工大学郎超教授团队开发可回收的高性能人工肌肉纤

发布时间:2022-06-25 13:50:58 作者:华体会平台链接 来源:华体会官网注册


  近日,华南理工大学前沿软物质学院(华南软物质科学与技术高等研究院)郎超教授团队通过简洁的两步法制备了可回收的高性能自组装人工肌肉,不但力学和致动性能在多方面超越天然肌肉,还具有不同的响应性和致动模式,为开发动态仿生材料提供了新的思路。该成果由郎超教授联合宾夕法尼亚州立大学Robert J. Hickey教授,以前沿软物质学院为第一完成单位,在《Nature nanotechnology》上发表了题为“Nanostructured block copolymer muscles”(纳米嵌段聚合物人工肌肉)的文章。

  受天然肌肉的启发,人工肌肉近年来发展迅速,并有望应用于软体机器人、假肢、触觉界面和智能服装等领域。然而前人的研究主要集中于利用“自上而下”的工程化手段重复肌肉的刺激收缩功能,无法复制天然肌肉组织精细的多尺度结构,从而使得材料性能受到一定的限制。鉴于此,研究人员创新性地提出了基于嵌段聚合物自组装,通过模拟骨骼肌纤维的条纹结构制备人工肌肉的新策略。

  自组装人工肌肉通过简单的两步法制备:首先利用快速注射将ABA三嵌段聚合物溶液注入水中触发自组装(图 1a,b),得到均匀的水凝胶纤维。第二步沿纤维轴向拉伸水凝胶,通过在不同应变下诱导PEO链段结晶得到低熵、高取向性的聚合物链状态。在外界刺激下,PEO晶体可以重新转变为非晶态,释放储存的机械能,产生致动行为。人工肌肉制备过程中没有向聚合物原料中引入任何新的化学交联或其他成分,因此将材料溶解在合适的溶剂中即可回收再利用。

  高取向性的晶体结构在原有的水凝胶网络基础上,不但极大地增强了纤维的机械性能,同时赋予了人工肌肉优异的致动性能。例如,自组装人工肌肉可以在承载700倍自重的条件下,实现150%/s的高速致动。与近年来报道的其他人工肌肉相比,自组装人工肌肉在多个方面展示出了优异的表现(图2)。

  自组装人工肌有良好的循环性和多重响应性。例如,变温可以驱动纤维可逆收缩(图 3a),而改变湿度则可以通过材料吸附实现纤维的可逆膨胀(图 3b)。当两种刺激同时使用,纤维可以根据需要产生收缩或扩张应力(图 3c,3d)。除了线性致动,研究团队还制备了螺旋型的转动致动器,可用于开发微型马达(图3e,3f)。该研究不但展示了一类可回收的高性能人工肌肉的制备,同时有望为开发具有多功能及不同性质的软体致动器提供新的灵感。

  “华南理工大学在工科方面的传统优势和研究院的交叉属性都为我们进一步开展应用研究提供了良好的平台,”郎超教授是华南理工大学软物质研究院于2021年引进的人才之一,其课题组以生命体系的结构和模型,如蛋白、细胞、组织等为设计蓝本,发展功能性软物质仿生材料。在谈到下一步的研究计划时,他表示,“高效的人工肌肉有很多应用场景,例如开发人工肌肉驱动的假肢以改善残障人士的生活质量,或发展软体机器人用于实现传统机器人难以完成的自动化任务等。”

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