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  人工肌肉是一種可以根據(jù)外部刺激可逆收縮/伸長、彎曲或旋轉(zhuǎn)的一類智能軟材料，在軟機(jī)器人、假體義肢和微型流體驅(qū)動(dòng)器等各種應(yīng)用中顯示出巨大的潛力。盡管電磁引擎一直被用于驅(qū)動(dòng)機(jī)器人和假肢設(shè)備中，但這些驅(qū)動(dòng)器往往具有剛性、笨重的性能以及沉重的質(zhì)量，限制了它們在有限的空間中提供盡可能大的驅(qū)動(dòng)行程，而不能像人體肌肉一樣可以靈活地驅(qū)動(dòng)人的身體。因此，人工肌肉材料迅速得到發(fā)展，它們試圖模仿自然肌肉的結(jié)構(gòu)和功能。但要模仿像人體組織一樣以水為主要成分的天然肌肉的結(jié)構(gòu)和功能，仍然面臨巨大的挑戰(zhàn)。由大量水組成的水凝膠材料類似于生物軟組織，但水凝膠薄弱的力學(xué)性能往往阻礙其實(shí)際應(yīng)用。為了解決這一問題，人們通過采用不同的策略來優(yōu)化聚合物網(wǎng)絡(luò)，如拓?fù)渌z、雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠和納米復(fù)合水凝膠等。這些水凝膠雖然具有優(yōu)異的力學(xué)強(qiáng)度的水凝膠，但由于它們的各向同性網(wǎng)絡(luò)，這些水凝膠膨脹/收縮同樣呈現(xiàn)出各向同性的特點(diǎn)。因此，制備與人體肌肉含水量相當(dāng)、大沖程、高工作容量的人工肌肉仍然是一項(xiàng)巨大的挑戰(zhàn)。

  近日，武漢大學(xué)常春雨課題組受植物卷須啟發(fā)，提出了一種簡單而有效的策略來制備卷須狀水凝膠人工肌肉，可以實(shí)現(xiàn)大沖程、高工作容量，并具有形狀記憶特性。水凝膠肌肉還能夠像自然界中的植物卷須一樣實(shí)現(xiàn)卷曲、收縮以及捕捉支撐物等動(dòng)作，這種收縮甚至可以驅(qū)動(dòng)汽車模型的運(yùn)動(dòng)。這項(xiàng)工作為解決水凝膠人工肌肉制造具有大行程驅(qū)動(dòng)、高工作容量和形狀記憶特性的局限性提供了一種策略。相關(guān)工作以“Bioinspired Shape Memory Hydrogel Artificial Muscles Driven by Solvents”為題，發(fā)表在《ACS Nano》上。

  如圖1所示，水凝膠人工肌肉以環(huán)糊精修飾的海鞘纖維素納米晶體作為增強(qiáng)相和多功能交聯(lián)劑，分散在丙烯酰胺、丙烯酸、丙烯酰胺金剛烷混合溶液中，引發(fā)聚合制備高延展性復(fù)合水凝膠。該凝膠經(jīng)過定向拉伸-加捻-纏繞連續(xù)操作，形成彈簧狀水凝膠，再經(jīng)過鐵離子交聯(lián)，得到水凝膠人工肌肉。

圖1. 水凝膠人工肌肉的合成。（a）水凝膠人工肌肉制備流程及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖。（b）同向手性和反向手性水凝膠肌肉的取向過程。

  值得注意的是，由于水凝膠加捻和螺旋方向具有手性，水凝膠肌肉可形成兩種螺旋結(jié)構(gòu)：同向手性肌肉和反向手性肌肉兩種。這兩種肌肉在溶劑刺激響應(yīng)中展現(xiàn)出了截然相反的性能。反向手性肌肉在乙醇中快速收縮，在水中伸長恢復(fù)；而同向手性肌肉在乙醇中伸長，在水中恢復(fù)收縮，如圖2所示。

圖2. 水凝膠肌肉的驅(qū)動(dòng)動(dòng)力學(xué)和形態(tài)。反向手性水凝膠肌肉的實(shí)物圖（a）和驅(qū)動(dòng)動(dòng)力學(xué)與含水量（b）。同向手性水凝膠肌肉的實(shí)物圖（c）和驅(qū)動(dòng)動(dòng)力學(xué)與含水量（d）。（e, f）水凝膠肌肉的SEM圖像。

  水凝膠肌肉的驅(qū)動(dòng)性能與水凝膠纖維的加捻密度密切相關(guān)。加捻密度對肌肉的驅(qū)動(dòng)速度和驅(qū)動(dòng)位移的影響示于圖3，可以看出在加捻密度為469 turns m^-1時(shí)，肌肉的驅(qū)動(dòng)速度最快，反向手性肌肉的速度達(dá)到-13.7% s^-1，而收縮位移也達(dá)到了-65%。而同向手性肌肉的伸長速率可達(dá)17.9% s^-1，位移達(dá)到473%。反向手性肌肉在乙醇噴霧的刺激下可以穩(wěn)定產(chǎn)生0.15 MPa的收縮應(yīng)力，而同向手性肌肉在水噴霧的刺激下可以產(chǎn)生0.22 MPa的收縮應(yīng)力。反向手性肌肉的工作能力最大達(dá)到1.6 J kg^-1而同向手性肌肉可達(dá)11.8 J kg^-1。

圖3. 水凝膠肌肉的驅(qū)動(dòng)性能。反向手性水凝膠肌肉（a）和同向手性水凝膠肌肉（d）的初始驅(qū)動(dòng)速度和驅(qū)動(dòng)應(yīng)變對扭轉(zhuǎn)密度的關(guān)系。反向手性水凝膠肌肉（b）和同向手性水凝膠肌肉（e）對乙醇和水噴霧響應(yīng)的驅(qū)動(dòng)應(yīng)力變化。反向手性水凝膠肌肉（c）反向手性肌肉和同向手性肌肉（f）的驅(qū)動(dòng)應(yīng)變和工作能力對外加應(yīng)力的關(guān)系。

  水凝膠肌肉還可以通過形狀記憶效應(yīng)實(shí)現(xiàn)對自然界卷須動(dòng)作的模擬。如圖4所示，水凝膠肌肉可在乙醇中脫水形成兩種暫時(shí)形狀。通過在乙醇中將水凝膠拉直或解旋，得到形狀Ⅰ和形狀Ⅱ。形狀Ⅰ在水噴霧下受到刺激恢復(fù)為原來形狀，這個(gè)過程成功模擬出黃瓜卷須在自然界中的運(yùn)動(dòng)模式，包括卷須的攀附纏繞和軸向收縮產(chǎn)生手性結(jié)的特點(diǎn)。而形狀Ⅱ則可以實(shí)現(xiàn)更大距離的收縮，產(chǎn)生更大的工作能力（42.4 J kg^-1），這與自然肌肉的工作能力相當(dāng)。將形狀Ⅱ的水凝膠用在模型小車的引擎上，通過對水凝膠施加濕度刺激，水凝膠肌肉恢復(fù)，實(shí)現(xiàn)收縮，帶動(dòng)小車向前行駛。

圖4. 同向手性水凝膠肌肉的形狀記憶效應(yīng)及其應(yīng)用。（a）同向手性水凝膠的形狀記憶效應(yīng)示意圖。（b）同向手性水凝膠的驅(qū)動(dòng)應(yīng)變和工作容量隨外加應(yīng)力的變化。（c）單端栓系同向手性水凝膠Ⅰ對水的刺激響應(yīng)。（d）兩端栓系同向手性水凝膠Ⅰ對水的刺激響應(yīng)。（e）兩端栓系同向手性水凝膠Ⅱ?qū)λ拇碳ろ憫?yīng)。（f）以同向手性水凝膠為引擎，由水噴霧驅(qū)動(dòng)的小車模型運(yùn)動(dòng)。

  本工作報(bào)道一種新型仿生水凝膠人工肌肉的制備方法。利用納米纖維素增強(qiáng)水凝膠的力學(xué)性能，通過牽伸、加捻、纏繞等力場控制納米纖維素的排列方式，賦予水凝膠肌肉高強(qiáng)度以及收縮或伸長的能力。該水凝膠人工肌肉含水量以及工作容量與自然肌肉媲美，可用于微引擎、軟機(jī)器人等領(lǐng)域，為人工肌肉的開發(fā)和應(yīng)用提供了新思路。

  武漢大學(xué)化學(xué)與分子科學(xué)學(xué)院碩士研究生崔言德為本文第一作者，通訊作者為武漢大學(xué)化學(xué)與分子科學(xué)學(xué)院常春雨副教授。該研究得到了國家自然科學(xué)基金（52073217, 51873164），國家重點(diǎn)研究發(fā)展計(jì)劃（2018YFE0123700）和湖北省重點(diǎn)研究發(fā)展計(jì)劃（2020BCA079）的資助。

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

  課題組主頁：https://www.x-mol.com/groups/Chang_cy