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“人造肌肉”训练之后,可以举起自重10000倍的重

大多数生物承重组织,如骨骼肌,呈现典型的J型膨胀曲线,其初始软弹性模量在变形过程中迅速增加几个数量级,也称为应变适应性增强性能。有趣的是,骨骼肌能在经过物理训练后发生自增强现象,这是因为肌肉纤维可以在训练中被破坏和重建。而且,它们可以根据神经系统发出的信号,智能地将ATP的化学能转化为宏观运动来调节周围的环境。骨骼肌的这些综合性质是生物体在复杂的外部环境中生存所必需的,也为人们开发人工肌肉材料提供了指导。

人工开发的肌肉材料可以将外部刺激能量转化为宏观运动,因此在制造执行器、机械臂和相关医疗设备方面具有潜在的应用。令人高兴的是,最近的一些研究报道了一些水凝胶材料,它们可以通过重复的机械训练进行自我强化。然而,这些具有自增强特性的材料缺乏“智能”特性,例如,这些材料不能对外部刺激做出响应,不能精确地调节致动,并且没有可编程的控制特性。到目前为止,将骨骼肌的所有特性(如通过机械训练的自我增强、应变适应能力的增强、外界刺激下的智能驾驶)整合到单一的合成材料中仍然是一个巨大的挑战。近年来,一些生物材料优异的力学性能部分归因于牺牲动态牺牲键(包括配位键和氢键)的增强机制。已经进行了许多努力来将动态牺牲键结合到聚合物材料中以增强机械性能。但这些体系中的配位键在聚合物基体中是随机分布的,进而在变形过程中发生不规则断裂,使得材料应变适应性有限。

因此,广东工业大学邱学青教授和华南理工大学刘伟峰副研究员团队提出了一种策略,将牺牲配位键与机械训练过程相结合,以构建高性能的人造肌肉材料。该材料展示了较高的致动应变(大于40%),较高的致动应力(1.5 MPa),并且在30%的应变下可以举起自身重量的一万倍以上。的结构在《Nature Communication》以“基于卫生协调网络和机械训练过程构建的仿生高性能人工肌肉”为题发表。

【人造肌肉材料的制备和机械性能】

人工肌肉材料的制备分为三步:第一步是将形状记忆聚合物EPDM(见下图)与富含羟基和羧基的木质素混合8分钟,其中木质素作为增强剂,可以作为配位化合物中锌离子的天然配体;然后,向混合物中加入二甲基丙烯酸锌(ZDMA),并均匀混合10分钟。最后,混合物用硫化剂处理以交联聚合物和配位化合物中的双键。材料可以表示为LxZy@m%,其中l表示木质素,z表示锌离子络合物,x和y分别表示l和z的相对含量,m表示训练强度。

图1。人工肌肉材料的制备

将未经训练的人工肌肉材料(L40Z12 @ 0%%)进行机械训练,模仿骨骼肌的自我增强性能。训练过程是通过反复拉伸和去拉伸来进行的。工程应力-应变曲线表明,最终的聚合物-木质素复合材料在机械训练后表现出明显的强度,就像体育锻炼对骨骼肌的自增强作用一样。随着训练应变从0增加到600,复合材料的断裂拉伸强度逐渐从24.8 MPa增加到30.7 MPa.与L40Z12 @ 0相比,L40Z12 @ 600在200应变下的应力增加了近2.5倍.将训练频率从100个周期增加到1000个周期将导致拉伸应力-应变曲线中类似的趋势。经过反复的机械训练和预拉伸后,弹性体的残余应变也随着训练应变和训练频率的增加而逐渐增加,这表明机械训练后,协调键稳定了链排列的某些部分。应力松弛固化也证实了机械训练后,只有部分聚合物链松弛。

值得注意的是,这些材料经过机械训练后呈现出典型的J

形应力-应变曲线,符合生物组织的应变适应性硬化特征。例如,当应变从75%变形到150%时,样品L40Z12 @ 600%的弹性模量从小应变时的2.0 MPa增强到33.2 MPa,增强了16.5倍。通过机械训练的自我增强效果和该复合材料的典型应变适应性与骨骼肌的机械性能非常吻合,证明了其作为人造肌肉材料的巨大潜力。有趣的是,经过机械训练后,弹性体的应力-应变曲线显示出明显的双级模量增强现象,这在以前很少报道,表明这种人造肌肉材料具有特殊的增强机制。



图2. 机械性能


【机械训练自增强机理】


通过研究,作者探索了这种材料经过物理训练后可以自增强的机理:在初始状态时,聚合物和木质素等缩成一团,内部处于平衡态,内部含有少量聚烯烃聚集形成的胶束,在材料特定方向施加较小的拉力时,内部的高分子链发生沿着拉力方向的定向排列,继续将拉力增加到中等时,材料内部的部分高分子链间的配位键开始发生断裂,形成了很多边缘不饱和的配位键,在此阶段牺牲的配位键承担了绝大部分的外部拉力,并将拉力的能量耗散,此时配位键的牺牲时该阶段材料的弹性模量大幅度增加,一旦失去配位键,高分子链段就会从木质素颗粒表面滑落导致弹性模量的大幅度下滑,并导致了该阶段S型的拉伸曲线,继续增大拉力,高分子链高度有序排列导致拉力诱导的结晶区域的出现,此时材料的弹性模量又可以急速变大,形成J型拉伸曲线。



图3. 机械训练自增强机理


【可编程致动性能】


通过两种方式可以调控该材料的编程式制动。包括热驱动以及电驱动。


使用1.3 MPa作为预加载的恒定应力,加热后,随着温度从-30 ℃升高到90 ℃,应变从21%转变为-20%,而在冷却过程中,应变值又随着温度降低到-30 ℃而恢复到原始长度。随着加热-冷却循环的重复,可逆应变变化表现出良好的可重复性。在此过程中,该人工肌肉材料的可逆驱动应变达到41%,这是有史以来在基于聚烯烃的驱动材料中获得的最大值。由基于EPDM的人造肌肉材料执行的驱动应变(41%)的值也满足了人体骨骼肌(40%)的要求。值得注意的是,该实验中,人工肌肉可以在30%的应变下提起205 g的重物,是其自身重力的10000倍。


使用电驱动的实验中,样品L20C20Z12 @ 300%被组装到一个程序控制的电路中。通过将电流值从5 mA调整为30 mA,基于EPDM的人造肌肉材料能够以7.0 g的可逆运动距离(|ΔL|)举起505 g负载(是其自重的2000倍,13%的应变),并且这种行为是可重复的。当电流值在0 mA和25 mA之间调整时,可逆的致动应变可以进一步提高到20%。这项工作中用于致动控制的电流值(5–30 mA)非常接近工业标准电流控制信号(4–20 mA)的要求。具有电可编程致动性能的人造肌肉材料在实际的工业应用中展示了巨大的潜力。



图4. 热控和电控可编程制动性能


总结:人造肌肉材料有望在执行器,机器人和医疗设备中得到令人难以置信的应用,但是将骨骼肌的全部特征模仿成合成材料的能力仍然是巨大的挑战。在该工作中,作者受到生物材料中牺牲键的启发,在高分子弹性材料中引入了配位键作为牺牲键,从而改变了材料的力学性质,使材料具有在物理训练的情况下自增强的性质。这种材料为新型智能材料的发展提供了新的机会。