石墨烯助力仿生人造肌肉，一篇Nature Nano！

This is my jam 2年前 (2022-11-05) 4456浏览

一、导读

人造肌肉可以在外界刺激下反复调制几何形状或尺寸大小，在下一代软机器人、智能服装、生物启发系统、植入式医疗强化等方向具有巨大的应用前景。在人造肌肉的几种不同的驱动特性中，基于刺激响应的聚合物结构具有重量轻、高弹性和易于加工的特点，有望解决传统液压和气动致动器的固有局限性。然而这些宏观层面可以产生较大形变的高分子材料通常具有固有的脆弱机械性能。为解决这一问题，将刚性填料引入定制的聚合物基体中形成的复合结构作为实现高机械性能、具有大致动变形等功能的一种途径正引起关注。

这种复合型致动器的主要研究方向集中在最佳的材料选择和合成后的宏观结构工程，如螺旋扭曲或卷绕，旨在最大限度地提高致动器性能。然而，对于实际的人造肌肉系统，需要致动参数相互高度契合，包括应变、应力、能量密度或功率，以及在致动和松弛状态下可以承受大的外部载荷的可靠机械强度。

二、成果掠影

在此基础上，韩国科学技术院Sang Ouk Kim等人，报道了受哺乳动物骨骼肌启发的单纤维和束，具有较大而强的收缩驱动。在单轴液晶基质中，使用剥离的石墨烯填料，使得光热驱动具有较大工作容量并且可以快速响应。

此外，电开关可以实时监测石墨烯填料的可逆渗流。这种动态渗滤行为，有效地增强了致动器纤维的机械性能，特别是在收缩的致动状态下，使哺乳动物肌肉样品实现可靠的可逆致动成为可能。

相关研究工作以“Human-muscle-inspired single fibre actuator with reversible percolation”为题发表在国际顶级期刊《Nature nanotechnology》上。

三、核心创新

该合成肌肉纤维以液晶弹性体(LCE)作为应变可逆驱动基质，通过加入具有超大形状各向异性的石墨烯填料来解决基质固有的弱机械性能和迟缓的热弛豫问题。

一维纤维几何形状中宏观的精确对准以及在石墨烯表面LC基团的强结合使得能够机械性能有效地提高，且保留了真正的大的可逆致动（高达45%）。

石墨烯填料在近红外（NIR）照射刺激下快速驱动，最终的驱动性能分别达到650J/kg和293 W/kg的工作能力和功率密度，大约是人类肌肉行为的17和6倍。并且定制的人造手可以远程操控。

这也是第一个具有热力学驱动的纳米级填料网络可逆渗流的纤维型软致动器。

四、数据概览

图1 类似人类肌肉的人造肌肉纤维 © 2022 The Authors

（a）由肌原纤维组成的骨骼肌的结构组织和驱动机制；

（b）G-LCF（石墨烯液晶弹性体纤维）复合纤维可逆渗流变形机理示意图；

（c）G-LCF复合纤维连续缠绕在卷筒上；

（d）1000股仿动物组织的G-LCF人造肌肉纤维组成的束状结构；

（e）G-LCF松弛和收缩状态的光学显微镜图。

图2 具有可逆电渗透高度对准的LCF和G-LCFs  © 2022 The Authors

（a）与交叉偏振器成45°角时观察到的LCF的POM图像(上)和EG片的SEM图像(下)；

（b）POM作用下G0.3-LCF的收缩和舒张；

（c）LCF和G0.3-LCF表面的SEM图像；

（d）二维WAXS模式的方位扫描剖面的LCF和G-LCF的方向有序参数；

（e）高对准G0.3-LCF在逐步加热和冷却循环中的可逆热驱动；

（f）60°C单轴拉伸的循环应力-应变曲线。插图说明了EG和LC液晶单元之间的π -π相互作用；

（g）由（f）计算出的杨氏模量和迟滞水平；

（h）通过光学显微镜观察到G0.3-LCF的松弛和舒张状态，拉曼二维带位移沿复合纤维的收缩应变随温度的变化；

（i）G0.3-LCF的杨氏模量和动态模量随温度的变化；

（j）在收缩驱动(体积分数为0.2%，长径比(AR)为1000)下，模拟EG血小板的可逆渗流以及电导率的理论和实验值；

（k）G0.3-LCF在50个循环的可逆驱动过程中电流的变化。

图3 G-LCFs的快速光热驱动 © 2022 The Authors

（a）室温下近红外辐照(λ = 808 nm)下悬重为10g的100股G0.3-LCF束的光敏反应及表面温度变化；

（b）在恒定应力(1.5 MPa)下，不同近红外强度对G0.3-LCF单纤维的驱动应变和并发电流的影响；

（c）在恒定应力(1.5 MPa)下，不同束数的G0.3-LCF对近红外(800 mW cm-2)辐照的收缩应变；

（d）与自然生物肌肉的比驱动应力、驱动应变、应变率、工作密度和功率密度比较图；

（e）在收缩驱动状态下，致动器纤维与之前基于LCE的致动器在拉伸强度和杨氏模量方面的比较。

图4 基于人造肌肉的定制执行器演示 2022 The Authors

（a）1000股的G0.3-LCF通过热驱动举起1公斤重的哑铃；

（b）可逆驱动动物组织样人造肌肉束(1000股)附着在人造人体关节之间，并伴随相应的电导率变化；

（c）近红外遥控下随电流变化的人造手指操作；

（d）近红外操纵驱动全碳人造蠕虫仿生自行走（与活尺蠖的自然运动作比较）。

五、成果启示

综上所述，这种协同材料设计利用了分子水平的亲近性，获得了类似人类肌肉的驱动器丝和束，并实现了实际应用所需的驱动器参数的理想组合。值得注意的是，伴随着石墨烯填料的可逆渗透不仅可以方便地监测致动行为，而且可以选择性地加强在大幅收缩下的机械性能，以确保可靠的仿生驱动和运动。这种高能合成驱动模式的大自由度剪裁开辟了一个有趣的平台，可以广泛适用于智能服装、可重构物联网设备、可植入肌肉增强剂、类人机器人等方向。

 

 

原文详情：https://www.nature.com/articles/s41565-022-01220-2

 

 

本文由雾起供稿。

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