利用捻曲技術(shù)打造更健壯的人造肌肉

編譯 許林玉

長期以來，電動機常用于交通運輸領(lǐng)域。由于電動機能夠提供清潔的機械驅(qū)動力，而且規(guī)格多樣，因此也廣泛應(yīng)用于泵、壓縮機、風扇和自動扶梯等，幫助實現(xiàn)自動化運動。

與電動機相對應(yīng)的生物——天然肌肉，應(yīng)用還要廣泛得多。人體共有600多塊肌肉，它們可以使心臟跳動、調(diào)節(jié)面部表情或協(xié)助運動。通過使用電能、熱能或化學能模擬肌肉功能的制動器可以產(chǎn)生運動，幫助實現(xiàn)更多的自動化應(yīng)用，其用途也將會得到更多的擴展。在2019年7月出版的《科學》雜志中，刊登了三篇有關(guān)人造肌肉的論文，三篇論文的作者穆九柯、苑金凱和梅米特·卡尼克（Mehmet Kanik）等分別介紹了新型纖維狀人造肌肉，它們充分利用了捻曲和卷曲的幾何結(jié)構(gòu)的力學優(yōu)勢。

這些纖維狀制動器通過調(diào)整纖維內(nèi)的材料成分和結(jié)構(gòu)（見圖1），獲得了無與倫比的卓越性能。以電、熱或化學形式施加的外部刺激會改變材料的微觀結(jié)構(gòu)，使其產(chǎn)生大范圍運動（應(yīng)變）和力（應(yīng)力）（見圖2）。這些制動器由輕質(zhì)聚合物制成，其能量密度為骨骼肌的50倍以上，能夠舉起高于自身重量1 000余倍的物體。它們都具有類似的捻曲或卷曲形狀，可以通過加熱來驅(qū)動。穆九柯等人和卡尼克等人還使用了自發(fā)卷曲的纖維。當受到刺激時，纖維會沿軸向收縮，骨骼肌也會利用收縮來消除肌肉在承受重量時發(fā)生屈曲的風險。

穆九柯等人通過選擇性地構(gòu)建一個包裹非能動芯的活性殼層（外層是提供機械能輸出的主要部分，而紗芯的纖維在機械能轉(zhuǎn)換過程中貢獻甚少），對聚合物紗線的橫截面進行調(diào)整，以此提高人造肌肉的性能。殼層在外界驅(qū)動下擴張膨脹，針對不同的驅(qū)動，他們采用多種不同的聚合物作為殼層材料來響應(yīng)。例如，乙醇蒸汽吸收驅(qū)動時采用PEO-SO3（聚環(huán)氧乙烷與四氟乙烯和磺酰氟乙烯醚共聚物的混合物）殼層，電熱驅(qū)動時采用聚氨酯殼層，而電化學驅(qū)動時則采用碳納米管（CNT）殼層。

內(nèi)芯具有恢復(fù)剛度的性能，可以引導(dǎo)纖維進行捻曲運動。穆九柯等人采用多種類型的紗線作為內(nèi)芯，如捻曲的碳納米管、聚丙烯腈、絲綢和竹子。與目前使用的魚線肌肉相比，他們對這些纖維的成分進行了精心調(diào)整，僅將對驅(qū)動響應(yīng)的材料置于外部殼層，這種設(shè)計由于其他能量擴散到響應(yīng)材料的路徑更短，因此其響應(yīng)速度也更快。當膨脹力作用于紗線的最外層時，其作用效果更為明顯，此時局部纖維的偏斜也最大。這種響應(yīng)材料分布于殼層的方式使芯紗沒有被填充，因此在降低其質(zhì)量密度的同時提高了其能量密度。結(jié)果表明，乙醇蒸汽吸收驅(qū)動的PEO-SO3殼層肌肉的功密度可達2.12千焦/千克，而電熱驅(qū)動的聚氨酯殼層肌肉的功密度可達1.33千焦/千克。

穆九柯等人的纖維設(shè)計觸及到了未曾探索的領(lǐng)域，在提高人造肌肉性能的同時，也降低了它們的成本。纖維芯本質(zhì)上可采用任何具有高扭曲剛度和高強度重量比的商用紗線，如竹纖維或尼龍纖維，而驅(qū)動響應(yīng)材料只用于外部薄的殼層。只需在尼龍紗線周圍包裹一層較昂貴的碳納米管，就可以實現(xiàn)電化學驅(qū)動，這種驅(qū)動可能比受限于卡諾循環(huán)的熱驅(qū)動更節(jié)能。

苑金凱等人還利用捻曲納米復(fù)合纖維設(shè)計了高性能微發(fā)動機。他們以分散性氧化石墨烯薄片填充的聚乙烯醇（PVA）為基質(zhì)，合成了這種纖維。PVA是一種形狀記憶聚合物（SMP），可以在高溫下編程至一定形狀（高度捻曲結(jié)構(gòu)），然后在捻曲形狀固定時進行熱淬火處理。當再次加熱至略高于編程溫度時，捻曲的纖維可做迅速解捻的機械運動，恢復(fù)其直線形狀。

在纖維中添加5%的氧化石墨烯薄片，就能大大提高發(fā)動機的性能，因為氧化石墨烯薄片能夠提高剛度，使纖維具有更高的扭矩并有助于解捻。氧化石墨烯薄片的幾何形狀對提高性能至關(guān)重要，因為它們須在纖維內(nèi)部大幅彎曲、折疊和捻曲，以便在捻曲編程步驟中存儲大量彈性能量。此外，氧化石墨烯薄片能夠提供臨界強度和韌性，可將更多的機械能在纖維斷裂之前儲存在纖維內(nèi)。此前，波林（Poulin）與其同事曾對納米復(fù)合PVA纖維的優(yōu)異韌性進行研究，并發(fā)現(xiàn)了這種增強性能。

制備工藝采用納米顆粒分散和濕紡技術(shù)。這種熱驅(qū)動的納米復(fù)合形狀記憶聚合物纖維的功密度達到創(chuàng)紀錄的2.8千焦/千克，可以手動重新編程，并在失效前至少使用10次。這種制動器可以連接至一個彈性紗線核心，以提供一個復(fù)原扭矩，使它可以像人造肌肉一樣重復(fù)驅(qū)動。

卡尼克等人通過機械拉伸大型非均相聚合物鋼錠，制作了一種類似于兩面神結(jié)構(gòu)的人造肌肉纖維。這種纖維的一側(cè)為環(huán)烯烴共聚物彈性體（COCe），另一側(cè)為聚乙烯（PE）。得益于這種兩面神橫截面，這些肌肉在冷拉伸過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力的驅(qū)動下能夠自卷。PE在拉伸過程中發(fā)生形變，拉伸速度與外拉伸速度相同，而COCe在拉伸過程中只出現(xiàn)部分形變，同時儲存部分彈性能量。在拉伸過程中放松時，纖維就會自發(fā)卷曲。由于PE和COCe之間的熱機械性能不匹配，導(dǎo)致纖維在受到熱刺激時收縮，僅加熱至約40℃即可達到7.42 千焦/千克的最大功密度。生產(chǎn)這些纖維的工藝可用于產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。

這三份報告中達到的高能量密度驅(qū)動的機理尚不清楚。關(guān)鍵因素是捻曲或卷曲過程中儲存的彈性能量，這讓人聯(lián)想到機械彈簧電池（機械彈簧電池受到刺激膨脹后會釋放一些在卷繞過程中儲存的彈性能量）。所能儲存的能量與纖維的韌性有關(guān)，這三種纖維的非均質(zhì)成分都有助于增強斷裂韌性，受刺激后釋放的能量也與這些纖維的膨脹量和膨脹過程中彈性模量的變化有關(guān)。

通過這三項研究，我們可以一窺這些材料在未來自動化進程中的前景。穆九柯等人介紹，當用這類纖維制成的織物受到刺激時，它們可以膨脹并改變孔隙度，這種織物可用于響應(yīng)各種刺激，如血糖測量，適用于醫(yī)學應(yīng)用。在苑金凱等人的研究中，他們用纖維推動了一艘小船。由此我們發(fā)現(xiàn)，這些纖維在未來可被用于推動微型“游泳運動員”，尤其是考慮到它們與細菌的鞭毛具有相似性。卡尼克等人使用噴在纖維上的納米線網(wǎng)格，通過壓阻效應(yīng)來測量纖維的收縮，使反饋控制能夠精確地驅(qū)動這些肌肉。

盡管這三種纖維制動器都具有極高的能量密度，但其能量效率極低，通常都小于6%。即便效率如此之低，它們?nèi)钥捎糜隍?qū)動小型機器人、給藥系統(tǒng)，或用于無需大量機械工作的變形結(jié)構(gòu)。與自然骨骼系統(tǒng)一樣，纖維制動器采用鉸鏈結(jié)構(gòu)或鉸接結(jié)構(gòu)，具有復(fù)雜的運動學特性。從長遠來看，這些人造肌肉可能非常適合于環(huán)境敏感的變形結(jié)構(gòu)和動力材料，這需要新的高能效設(shè)計。