一期Science上的3篇人造肌肉，设计有何不同？

人体内有600多块肌肉，来完成四肢运动、心跳呼吸以及控制面部表情等功能。对于材料界来说，高效率、长寿命的人造肌肉对于机器人、智能医疗器件等领域非常重要，吸引着大量的关注。虽然当前已经有许多人造肌肉的制备方法，比如液压系统、伺服电机、形状记忆金属和响应刺激聚合物等，但它们都具有各自的局限性。在近日的一期Science 上，来自美国、法国、中国、澳大利亚等不同国家的研究者，连发3篇关于人造肌肉的文章，其中一篇还给了封面。

当期封面。图片来源：Science

虽然这些人造肌肉都是纤维状结构，但设计却各有不同，且听小希慢慢道来。

3篇人造肌肉纤维的结构示意图。图片来源：Science ^[1]

鞘驱动，收缩功率最高

美国德克萨斯大学达拉斯分校Ray Baughman课题组和合作者们设计的新型结构人造肌肉，扭转驱动力来自于包裹在外面的廉价鞘层 ^[2]。

Ray Baughman教授，美国国家工程院院士，长期从事人造肌肉、碳纳米管（CNT）和纺线的研究，我们曾报道过他的一篇发表在Science 杂志上关于“碳纳米管纺线”的文章（碳管纺纱线，一拉就来电）。而他们近期这篇Science 文章的开头，先提及了他们此前报道的碳纳米管人造肌肉（hybrid yarn artificial muscles，HYAMs）的工作，这种人造肌肉通过碳纳米管的拉伸和扭转提供驱动力，收缩功可以达到人体肌肉的29倍 ^[3]。不过，这一工作也存在不小的问题——制备成本高昂；只有部分纤维做功，靠近纱线中心的部分没有得到充分利用。

拉伸和扭转驱动的肌肉结构。图片来源：Science ^[3]

为了解决这些问题，研究者提出了一种新型人造肌肉驱动模式——鞘驱动人造肌肉（sheath-run artificial muscles，SRAMs）。该设计具有鞘-芯双层结构：肌肉内芯采用扭曲或盘绕的CNT纱线，外壳选用聚（环氧乙烷）与四氟乙烯和乙烯基醚磺酰氟（SFVE）共聚物的混合物（PEO-SO₃），或者弹性聚氨酯（PU）等。

鞘驱动人造肌肉结构。图片来源：Science ^[2]

新型人造肌肉可以通过乙醇蒸汽吸收驱动或者电热驱动，实现可逆的扭转。乙醇蒸汽吸收驱动和电热驱动的PEO-SO₃@CNT，分别可以产生4.44 W/g和2.6 W/g的平均收缩功率输出，这一改进将人造肌肉的工作能力提高了1.7-2.15倍（与此前的HYAMs相对比），更是人体肌肉收缩功率（0.05 W/g）的几十倍。

蒸汽吸收驱动和电热驱动的SRAMs、HYAMs及原始CNT拉伸对比。图片来源：Science ^[2]

“之前，我们将热能施加到整个人造肌肉，用以转化为机械能。但只有纤维的外层部分做功，中心部分几乎不做功”，文章一作Jiuke Mu说，“新型的鞘驱动肌肉，我们只需要将能量注入鞘内。”研究者称，商用尼龙、丝线、竹纱线以及电纺聚丙烯腈（PAN）纳米纤维可以代替内部的CNT，降低制备成本，同时利用蒸汽吸收驱动由于不受卡诺循环的限制，比热驱动更节能。

负重演示。图片来源：Science ^[2]

举重冠军，650倍自身重量

这三篇文章中的不同人造肌肉，要说承重最大的，得数MIT的Polina Anikeeva课题组研制的聚合物人造肌肉，能够提起超过自身650倍的重量，能承受大于1000%的张力，且收缩和拉伸循环可以超过10万次，而性能没有明显减弱。该文章也因此荣登当期Science 封面。

这种人造肌肉由两种不同的聚合物单股纤维组合，分别是环烯烃共聚物弹性体（COCe）和高密度聚乙烯（PE）。通过“冷拉”技术，COCe弹性体被拉长，随后将这两种纤维粘合，并置于聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）包裹层中。在释放预拉伸之后，回缩形成弹簧式结构。

制作示意图及热驱动收缩。图片来源：Science ^[4]

由于COCe和PE之间的热膨胀系数不同，分别为2.6×10^-5 K^-1和1.3×10^-4 K^-1，相差5倍，导致整体受热后发生形变，完成“肌肉收缩”。该原理与中学课本中讲过的双金属温度开关极为类似。

尽管原理十分简单，却可以实现“四两拨千斤”。一根横截面积为300 μm × 470 μm的5 cm长纤维肌肉，在Δt = 10 °C的热刺激作用下，能够举起1 g的重量，是自身重量的650倍。其输出功率75 W kg^-1，驱动速度13.25 ± 1.66 N/s，超过了人类肌肉的平均功率（50 W kg^-1）。这种行为是可逆的，一旦温度下降，纤维就恢复到原来的长度。

热驱动纤维肌肉。图片来源：Science ^[4]

研究者设计了与人体手臂类似的微型假肢，并通过热枪发出的2秒热脉冲（Δt = 10 °C）驱动，微型假肢可以举起一个1克的哑铃。如果将纤维捆绑在一起，就可以提升负荷的重量，就像肌肉纤维“捆绑”在体内一样的。

模拟人体手臂肌肉。图片来源：Science ^[4]

据说，这种设计灵感来源于黄瓜卷须。黄瓜的藤蔓顺着杆子或其他支撑物往上卷绕，提供拉力，确保自己能够接受更多的阳光照射。而这种双聚合物纤维在热驱动下形成紧密的线圈，与黄瓜的卷须非常相似。

黄瓜卷须。图片来源：Science ^[4]

温度记忆，可编程

法国波尔多大学Philippe Poulin和Jinkai Yuan课题组制备了旋转式人造肌肉纤维，并通过掺杂碳纳米管和石墨烯将其力学性能和驱动性能大幅度提高，几乎是天然骨骼肌的60倍。触发温度可以调节和编程，当达到编程温度时，2秒内实现最高600 rpm的转速。他们用这种人造纤维驱动螺旋桨，制作了一艘小船来展示其性能。

人造肌肉驱动的小船。图片来源：Science ^[5]

研究者以聚乙烯醇（PVA）为基体，填充氧化石墨烯（GO）和单壁碳纳米管（SWNT）。PVA是一种形状记忆聚合物（SMP），可以在高温下编程。因此，将PVA纤维加热到程序温度，加捻形成高度扭曲的结构。然后在扭曲的形状固定的同时进行热淬火，就可以把捻应力固定住。当温度重新加热到略高于编程温度时，就可以实现捻应力的释放。

形状记忆聚合物SEM图像与扭矩测试。图片来源：Science ^[5]

通过氧化石墨烯（GO）和单壁碳纳米管（SWNT）的加入，不但可以提高纤维的刚度，使其具有更高的扭矩，而且氧化石墨烯的片层几何结构可以在扭曲过程中存储大量的弹性能量。此外，氧化石墨烯具有韧性，可以在纤维断裂前存储更多的机械能。PVA-GO纤维人造肌肉，在编程温度（100 °C）经过程序处理，再次加热到200 °C时，可以产生~21 N m kg^-1的扭矩，～2.8 kJ/kg的能量密度，高于之前报道的旋转人造肌肉纤维。

小结

上面三篇文章，都是基于纤维状结构的扭曲实现拉伸和收缩，从而模拟人体肌肉。它们或是通过聚合物的“形状记忆效应”，获得大扭矩和能量密度；或是基于两种材料不同的热膨胀系数来提升人造肌肉的力量和承重能力；亦或是提出新颖的“鞘驱动”结构，获得更大的功率密度。从不同的角度出发，最终目标都是为推动人造肌肉纤维的发展迈上了一个新的台阶，也为后续人造肌肉纤维的研究带来了更多可能性。

参考文献：

1. S. Tawfick, Y. Tang, Stronger artificial muscles, with a twist, Science, 2019, 365, 125-126. DOI: 10.1126/science.aax7304

https://science.sciencemag.org/content/365/6449/125

2. J. Mu, M. J. Andrade, S. Fang, X. Wang, E. Gao, N. Li, S. H. Kim, H. Wang, C. Hou, Q. Zhang, M. Zhu, D. Qian, H. Lu, D. Kongahage, S. Talebian, J. Foroughi, G. Spinks, H. Kim, T. H. Ware, H. J. Sim, D. Y. Lee, Y. Jang, S. J. Kim, R. H. Baughman, Sheath-run artificial muscles, Science, 2019, 365, 150-155. DOI: 10.1126/science.aaw2403

https://science.sciencemag.org/content/365/6449/150

3. M. D. Lima, N. Li, M. J. Andrade, S. Fang, J. Oh, G. M. Spinks, M. E. Kozlov, C. S. Haines, D. Suh, J. Foroughi, S. J. Kim, Y. Chen, T. Ware, M. K. Shin, L. D. Machado, A. F. Fonseca, J. D. W. Madden, W. E. Voit, D.S. Galvão, R. H. Baughman, Electrically, Chemically, and Photonically Powered Torsional and Tensile Actuation of Hybrid Carbon Nanotube Yarn Muscles, Science, 2012, 338, 928-932. DOI: 10.1126/science.1226762

https://science.sciencemag.org/content/338/6109/928

4. M. Kanik, S. Orguc, G. Varnavides, J. Kim, T. Benavides, D. Gonzalez, T. Akintilo, C. C. Tasan, A. P. Chandrakasan, Y. Fink, P. Anikeeva, Strain-programmable fiber-based artificial muscle, Science, 2019, 365, 145-150, DOI: 10.1126/science.aaw2502

https://science.sciencemag.org/content/365/6449/145

5. J. Yuan, W. Neri, C. Zakri, P. Merzeau, K. Kratz, A. Lendlein, P. Poulin, Shape memory nanocomposite fibers for untethered high-energy microengines, Science, 2019, 365, 155-158. DOI: 10.1126/science.aaw3722

https://science.sciencemag.org/content/365/6449/155

（本文由小希供稿）