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【《Nature Nanotech.》最新水凝胶人工肌肉！】摘要
高性能驱动材料对于机器人技术、假肢和智能服装的进步是必要的 。 近日 ， 科研人员报告了一类结合了溶液相嵌段共聚物自组装和应变程序结晶的纤维致动器 。 致动器由高度排列的纳米级结构组成 ， 具有交替的结晶域和无定形域 ， 类似于哺乳动物骨骼肌的有序和条纹图案 。 与目前的驱动器相比 ， 所报道的纳米结构嵌段共聚物肌肉在几个方面都表现出色 ， 包括效率（75.5%）、驱动应变（80%）和机械性能（例如 ， 高达 900% 的断裂应变和高达 900% 的韧性） 121.2?MJ?m?3) 。 纤维表现出开/关旋转驱动 ， 峰值转速为 450?r.p.m 。 此外 ， 报告的纤维表现出多触发驱动（热和水合） ， 提供可切换的机械性能和各种操作模式 。 聚合物纤维的多功能性和可回收性 ， 结合简便的制造方法 ， 为使用嵌段共聚物制造多功能和可回收执行器开辟了新途径 。
图文解析
高性能驱动材料能够在外部刺激下发生形变 ， 如同机器部件一样收缩、弯曲或膨胀 ， 因此也是发展机器人、假肢和智能服装的必要条件 ， 而其技术核心是通过工程材料学来优化材料性能 。
受肌肉结构的启发 ， 宾夕法尼亚州立大学的研究人员研创出一种纤维驱动器的新设计 。 它模拟了肌肉纤维的结构 ， 并在能效、驱动应变和机械性能等多个方面比其他现有驱动器更优越 。 这一结果发表在《自然·纳米技术》（Nature Nanotechnology）杂志上 。 科学家们的关键任务是发明更加轻量和柔软的材料 ， 使其大体上可以充当人造肌肉 。 研究小组将目光聚焦在水凝胶上 。
在最新的研究中 ， 科学家们发现 ， 由这种水凝胶材料制成的纤维 ， 在水化和硬化时可以拉伸至几倍 ， 而干燥后保持拉伸形态 ， 加水或加热后复原 。 这种特性使得其有望成为驱动材料 。
研究人员研究该结构时发现 ， 收缩的纤维在许多方面和自然肌肉有相似之处 。 例如 ， 这种材料由高度排列的纳米级结构组成 ， 晶体和无定形区域交替排列 ， 类似于哺乳动物骨骼肌的有序和条纹形态 。
纳米尺度的刚性无定形域和微米尺度充满水的孔隙 ， 使得水凝胶有独特的拉伸性能 。 当水凝胶被拉伸后 ， 它们会像橡皮筋一样迅速回弹；如果在伸展状态下失水干燥 ， 则水凝胶聚合物网络结晶 ， 纤维定型为伸长形状 。 而拥有这些特殊属性的根本原因之一是 ， 这种纤维在纳米尺度上组织得非常精确 ， 类似于人类肌肉的肌节 。 当它们沿着单一方向收缩 ， 就产生了回到原始状态的能力 。
像橡皮筋一样 ， 迅速回弹 | Giphy
加水或加热条件下拉伸材料的晶体会融化 ， 恢复到原来的形态 。 拉伸到原来长度的五倍时 ， 这种材料可以恢复到原尺寸的80%以内 ， 并且可以往复工作而保持性能 。 这种高性能驱动材料能通过热和水两种不同的方法进行刺激 ， 而其他大多数驱动材料仅有一种触发机制 ， 这也体现了它的多功能性 。
总结
受肌肉纤维结构和功能的启发 ， 由 ABA 三嵌段共聚物制备了具有高度排列的交替无定形和结晶域的纤维致动器 。 A 和 B 嵌段的玻璃状和半结晶性质分别是模拟骨骼肌结构和功能所必需的 ， 很容易转化为不同的聚合物成分 ， 以满足特定应用的材料要求 。 纤维是使用两步法制造的 ， 其中由快速注射加工制成的水凝胶纤维在应变下结晶以捕获低熵状态 。 由于缺乏化学交联 ， 这些纤维是可回收的 ， 但仍显示出优异的机械性能 ， 其韧性可与蜘蛛丝相媲美 。 这些纤维还表现出特殊的驱动行为 ， 其中驱动应变、应力、能量密度和能量效率不仅超过了天然肌肉纤维 ， 而且还很容易调整 。 报道的纳米结构嵌段共聚物纤维表现出线性和旋转驱动运动 ， 这些驱动运动由三种不同的刺激（例如 ， 水蒸气的膨胀和加热或水合时的收缩/旋转）触发 。 这种纤维的潜在应用包括手术机器人、智能衣服、触觉和触觉界面以及假肢 。
参考文献：
doi.org/10.1038/s41565-022-01133-0
参考来源：我是科学家iScientist
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