麻省理工學院打造“人造肌肉”

Sid Perkins

當一根黃瓜開始生長時，它需要緊緊地盤繞卷須，為了尋找支撐力將植物向上拉伸。這樣也確保了植物盡可能地獲得最多的陽光照射。近日，麻省理工學院的科學家們發現了效仿這種“盤繞拉伸”的機制，將它用于制造出一種收縮纖維，用來制成機器人、假肢或其他生物醫學中的人造肌肉。

最近，麻省理工學院的博士后Mehmet Kanik等人共同研究發現了一種新型纖維物，運用“纖維伸拉”技術將兩種不同的聚合物粘合成單根纖維。“熱脹冷縮”是人們熟知的自然現象，而每種材料都有各自不同的熱膨脹系數——就是溫度平均每升高1個單位，長度的相對變化量。

這一過程的關鍵在于，將兩種不同熱膨脹系數的物質融合在一起——這意味著當溫度升高時，兩種物質會產生不同的膨脹程度。這與多數恒溫控制器的原理相同，比如用一種雙金屬片在電路過載時感受溫度的變化， 進而改變雙金屬片的彎曲程度，并控制接觸斷開的效果。當兩種物質溫度升高，其中一種膨脹更快的物質會被另一種物質抑制效果。因此，復合材料會卷起，向膨脹更慢的一方彎曲。

在兩種不同聚合物的共同彎曲下，Kanik與研究團隊利用一種極易伸縮的閉環共聚彈性體和一種堅硬的熱塑性聚乙烯制造出一種纖維，當它拉伸至大于自身長度的數倍長后，將自然形成為緊密的卷狀，類似于黃瓜產生的卷須。可是Anikeeva回憶說：“研究人員在初次實驗后，出現了許多意料之外的新發現。”

當Kanik 初次采用卷曲纖維時，僅靠他手上的溫度就能使纖維緊實地卷曲起來。 研究過后， kanik 還發現了即使溫度出現極小的變化也能讓卷曲效果更加明顯，產生意外的強力拉伸效果。研究人員表示：“拉長的原因之一，是因為所有一切操作都是在適中的狀態下進行的，其中也包括低激活溫度，僅升高1攝氏度就足使纖維發生拉伸效應。”

為了測試單根纖維可承受的重量載荷，研究人員還設計了小型專用的測試裝置。經過實驗顯示，單根纖維能夠承受超過自身重量650倍的載荷。此外，這種纖維可以拉伸至較大的尺寸范圍，寬度從幾微米到幾毫米寬，進而可以分批生產出幾百米長的捆綁纖維。實驗中所選用的聚合物材料的價格十分低廉，目前生產的人造肌肉纖維的成本大概是每米 6 美分。

通過纖維伸拉體系制成的纖維，這個過程中將粘合其他物質，進而制成超大尺寸的物質，這一過程被稱作預制。接下來纖維在特定的溫度下被加熱，物質變為粘性，如同攪拌糖稀一樣。這樣的做法可以在纖維保持內部結構的狀態下，還能夠控制最終成型的尺寸。

更為難得的是，當纖維受熱收縮時，研究人員通過對其長度的變化量與溫度升降程度進行建模，初步得出一套相對精確的程序。借此就能夠準確地調節纖維中材料所需的拉伸力，以及引發拉伸力所需的溫度。這使得纖維在未來的應用中更具有實用價值。

在綜合考慮拉伸溫度下兩種材料的粘度、能否滿足魯棒驅動等約束條件，經過有限元分析，研究人員在實驗中選擇采用 HDPE 和 COCe 兩種聚合物。纖維制造好后，如果將其拉伸至原始長度的數倍，它將自然地形成一個類似彈簧的線圈。研究人員Mehmet 認為他們是開發了一個新的平臺，對于這項“人造肌肉”的研究更深刻且長遠的意義，目前實驗是依照不同熱膨脹系數的 HDPE 和 COCe 兩種聚合物而設計，但這只是一個基于纖維的“人造肌肉”框架。“這種制造方法的本質，將使該領域的科研人員有無限的可能創造出多功能的人造肌肉裝置。”

研究人員表示，現在團隊所使用的纖維拉伸技術已經十分成熟，而且經濟有效。他們對于這種“人造肌肉”纖維接受大規模的人造假肢和軟體機器人設備應用的檢驗充滿了信心。此外，大概成本只有每米 6 美分，已經具備工業化規模量產的條件。

出于測試的目的，研究人員利用導電納米網覆蓋在纖維表面。這些導電納米網可作為傳感器，反應出纖維所處的具體張力值。未來，這些纖維同樣可以融入加熱零件如光導纖維和電極， 從內部提供加熱方式，而不用再依賴任何外部熱源刺激肌肉的伸縮。如此纖維可作為制動器，應用于機器人手臂、腿及其他假肢中，輕量級和快速反應能力是新型纖維最有利的競爭優勢。

對于未來的研究方向，研究人員Mehmet 說：“在更大規模的應用中，潛在的挑戰是拓展刺激源（溫度以外的條件），這樣可以通過對肌肉結構的創新來改進。我們將嘗試建立各種不同的內部刺激機制，包括電學、光學或電化學等。”

目前的假肢重量最多達到30磅，而其中大部分的重量來自于制動器，它們的材質大多是充氣式或液壓式。所以，這種輕量級制動器將使假肢使用者的生活變得更為便捷。同時，研究人員Anikeeva認為：“這種纖維也能應用于微型的生物醫學設備，比如一個醫用機器人需要進入血管中工作，并且被激活，它所需的激活時間大約在十幾毫秒到幾秒鐘。”

為了達到更大的載荷能力，纖維可以被捆綁起來作為肌肉纖維裝置在人體內。現在，研究團隊已經成功實驗捆綁100根纖維。通過纖維伸拉，傳感器也可以與纖維粘合在一起，在特定的情況下提供信息反饋。研究人員?rg¨??表示：“帶有閉環反饋機制的捆綁肌肉纖維可以應用在自動精準控制的機器人系統中。”

研究人員Kanik表示：“這類物質具有無限的可能性，因為幾乎任何兩種不同熱膨脹系數物質的粘合都是可行的。這項發現如同打開了一扇窗戶， 未來還有更多的窗戶等待我們去打開。”

編譯自《科學》雜志

（責任編輯 姜懿翀）