邱学青\刘伟峰Nat Commun：基于机械训练和木质素协同配位增强的人工肌肉功能弹性体复合材料

人体骨骼肌具有优异的机械训练自增强、应变硬化、智能驱动等综合特征，并能根据神经系统的电流信号对外做功来改造环境。受之启发的人工肌肉功能材料在医疗器械、机器人、智能驱动等领域表现重要的应用前景。但是，大部分人工肌肉材料难以模仿骨骼肌的这些综合优异特征。

图1. 人体骨骼肌基本特征

受骨骼肌机械训练自增强和生物体内动态键启发，近日，华南理工大学刘伟峰和广东工业大学邱学青教授团队使用形状记忆聚合物三元乙丙橡胶（EPDM）和天然生物质木质素作为原料，在木质素与EPDM间构建界面配位健，结合机械训练方法，首次把机械训练自增强、应变硬化和智能驱动等人体骨骼肌特征全部集成到单一合成材料中。

图2. 人工肌肉制备和变形机理示意图

首先将天然配体木质素和反应性助剂（ZDMA）加入到EPDM基体中，硫化过程中在木质素与EPDM相界面构建锌离子配位键，再通过反复的机械训练，促使配位交联网络重排，构建出具有局部链段稳定取向的复合材料。训练后的材料呈现特殊的双阶段增强特点，对其拉伸机理分析发现，重构的配位交联网络不但能集中断裂耗散能量，而且能更有效促进链段取向结晶。并且，具有局部链段稳定取向的EPDM能在外界热/电刺激下往复对外做功，执行应变可超过40%，执行应力超出人体骨骼肌4倍以上（1.5 MPa），能提起自身重量10000倍的重物，具有出色的对外做功能力。进一步将材料组装到一个程序控制的电路中，该材料能根据输入电流大小输出特定数值的执行应变，具有电编程驱动的性能。

图3. 人工肌肉智能驱动性能

这项工作的意义在于：（1）首次提出动态配位键与机械训练结合的策略，通过机械训练过程对配位键反复断裂重构，最终实现橡胶链段的局部稳定取向；（2）发挥木质素自身丰富的含氧极性官能团优势，提出木质素协同配位增强的策略，再次证明工业木质素这一废弃生物质资源可以构建功能性绿色高分子复合材料。

相关成果发表在Nature Communications 上。论文第一作者为华南理工大学化学化工学院博士生涂志凯，华南理工大学刘伟峰和广东工业大学邱学青为论文共同通讯作者。

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Biomimetic high performance artificial muscle built on sacrificial coordination network and mechanical training process

Zhikai Tu, Weifeng Liu, Jin Wang, Xueqing Qiu, Jinhao Huang, Jinxing Li & Hongming Lou 

Nat. Commun., 2021, 12, 2916, DOI: 10.1038/s41467-021-23204-x

研究团队简介

近年来，作者团队将木质素协同配位增强的策略应用到橡胶弹性体补强，制备了一系列高性能的木质素改性橡胶复合材料，可实现木质素对传统炭黑填料一半以上的替代，甚至可实现木质素替代传统塑料相、制备出以木质素为塑料相的热塑性弹性体复合材料，还可以实现木质素增强传统橡胶的功能化和智能化，相关成果获得了系列授权发明专利，欢迎交流合作。

1. Biomimetic High Performance Artificial Muscle Built on Sacrificial Coordination Network and Mechanical Training Process. Nature Communication, 2021, 10.1038/s41467-021-23204-x. 

https://rdcu.be/ckO2d 

2. High Performance Thermoplastic Elastomers with Biomass Lignin as Plastic Phase: ACS Sustainable Chem. Eng., 2019, 7, 7, 6550–6560. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acssuschemeng.8b04936

3. Effects of sacrificial coordination bonds on the mechanical performance of lignin-based thermoplastic elastomer composites: International Journal of Biological Macromolecules, 2021, 66,  

https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2021.04.188 

4. Lignin reinforced NBR/PVC composites via metal coordination interactions. Ind. Eng. Chem. Res., 2019, 58(51), 23114-23123. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.iecr.9b05198    

5. Lignin-reinforced ethylene-propylene-diene copolymer elastomer via hydrogen bonding interactions. Macromol. Mater. Eng., 2019, 304(4), 1800689.

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/mame.201800689 

6. Bioinspired engineering towards tailoring advanced lignin/rubber elastomers. Polymers, 2018, 10(9), 1033

https://www.mdpi.com/2073-4360/10/9/1033