近年來,隨著新型智能高分子材料的快速發展,為人工肌肉的制造及應用提供了新的發展契機。這些新型智能材料,如液晶高分子、水凝膠、電絕緣橡膠以及形狀記憶高分子,可根據外部環境刺激例如電、光、磁、熱等變化呈現出各種復雜的形態變化,行為非常接近甚至優于真正的肌肉纖維。基于這些具有優異性能的材料,人們陸續制備出各種仿生柔性器件。


黑科技!人工肌肉材料浮出水面 中國智能高分子材料領先國際水平


從某種意義上來說,擁有智能、柔性、仿生等特點的智能項目高分子材料,己成為當代科學發展的熱點方向。在我國發布的“十三五”百大工程中,將發展智能高分子材料囊括其中,開發具有與生物肌肉相似運動功能的人工肌肉是該領域的重要分支。它在柔性外骨骼、假體、仿真機器人、變翼飛行器、傳感器等領域具有重要的研究價值和廣闊的應用前景。得益于科學界及產業界的持續關注,智能高分子材料的研究在過去十年中獲得重要突破,正處于從追求單一功能向尋求智能化集成、從基礎研究向應用轉換的階段。


論壇上,清華大學副教授吉巖帶來所在團隊正在進行的“可多次塑型的液晶彈性體”研究。液晶彈性體能夠在外界刺激下,發生大幅度的可逆形變, 既可應用于人工肌肉,又可作為制動器應用于軟機器人、可穿戴電子器件和介入診療微器械等領域。但是傳統的液晶彈性體,因加工制備不便,應用受到了諸多制約。研究人員通過將動態共價鍵,引入到傳統的液晶彈性體中,尋求解決液晶彈性體的加工瓶頸。


南開大學化學學院研究員張振杰科研團隊,正在研究“基于晶態材料構筑新型智能驅動材料”,科學家首次將小尺寸的有機小分子晶體,通過混合基質膜的策略制備成大尺寸的人工肌肉材料,并展示了其多變的運動方式。同時,科研人員還利用高分子與共價有機框架(COFs)材料復合,成功構建了一類具有高機械性能的COFs膜,不僅可以作為高效分離膜,還可以作為人工肌肉進行復雜的運動行為。


據介紹,我國在智能高分子材料領域的研究整體達到國際先進水平,在高性能分子材料設計、合成方面甚至具備領先優勢。但是,在高分子結構的控制與仿真,構建柔性仿生執行器及其實用化方面,還相對薄弱。目前,智能高分子材料在生物醫學領域的應用成為科學家們研究的新方向,并且有望實現大規模化生產和臨床應用。


與會專家紛紛表示,智能高分子材料的研究已到達從基礎研究向應用轉化的關鍵時期,如何將這些成果與生物醫學相結合,解決未來實際應用中面臨的各種科學和技術問題,如在韌帶和肌腱損傷修復領域等的應用,需要材料、化學、生物醫學等領域多學科深度交叉合作。


背景


生物體本身就是一種復雜而又高度智能的生物系統,即使在科學技術蓬勃發展的今天,科技前沿的機電系統也無法媲美最簡單的生物體系統。例如肌肉,作為生物學上可收縮的組織,具有信息傳遞、能量傳遞、廢物排除、能量供給、傳動以及自修復功能,一直以來就是研究者開發驅動器靈感的來源。但早期的人工肌肉一般以機械裝置作為載體,通過復雜的剛性模塊連接構成,并且需要笨重的馬達與傳動裝置進行驅動,難以在微納工程以及生物醫學等領域得到應用。


關于人工肌肉


新型人工肌肉是科學家用制作釣魚線和縫線的纖維扭成非常緊的線圈制成,并利用溫度變化使其收縮與放松。還有個有趣的實用用途,即制作“自動調溫”衣物。研究人員可利用聚合物線圈織成“可以呼吸”的材質,織料縫隙會隨氣溫打開或關閉,幫助通風或防風。

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