华南理工团队通过高分子材料应变诱导结晶制作人工肌肉纤维，承载700倍自重仍能高速致动，未来将开发生物能源驱动的人工肌肉

“这次的主要发现，是利用嵌段高分子的自组装和应变诱导结晶，得到了具有类似天然结构的人工肌肉纤维，并表现出优异的力学性能（纤维韧性可媲美蚕丝）和致动性能。其拉伸长度约是天然肌肉的 3-14 倍；强度约是天然肌肉的 100-300 倍。相比自身重量，它产生的动力也很强劲，当负重为自身质量的 700 倍时，依然能完成高速致动，致动应变速率达 150%/s。”华南理工大学软物质研究院郎超教授表示。

▲图 |郎超（来源：郎超）

2021 年下半年，作为华工的引进人才之一，郎超离开美国宾夕法尼亚州立大学回到国内。在上述工作里，华工软物质研究院为第一完成单位，也是他回国后交的首个“作业”。

此次研发的人工肌肉，有望用于开发假肢和智能织物等。 另外，该材料的独有特点之一是：当伴随致动行为时，纤维可以转换为水凝胶，故也能用于药物装载和递送。

人工肌肉，即用人工合成的材料，来模仿天然的肌肉组织。大家都知道肌肉的重要性，有了它我们才能从头到脚动起来，包括身体动作、面部表情、血液循环、胃部蠕动、以及维持体温等。

（来源：资料图）

目前，学界对于人工肌肉的研究，仍处于比较初级的阶段，且主要集中于重复肌肉的收缩功能，即能在外界刺激下发生形变，从而对物体做功。

如果只考虑这部分功能，人工肌肉和机械工程中广泛应用的致动器极为相似。而许多人工肌肉由柔性的高分子材料制备，因此有时也称为柔性致动器。

不过郎超个人认为，人工肌肉的研究不仅能从工程应用角度出发，也可从理论研究的角度出发，借鉴天然肌肉的结构、组成、运行模式等，从而更好地向大自然学习。当然，这种思路对仿生材料的合成策略和技术，也有着更高的考验。

对于骨骼肌来说，它具备一个鲜明的结构特点：在肌原纤维层级，其具有高度取向的、明暗相间的条纹结构。

这里面有几个专业词汇，要稍微解释一下。首先，什么是高分子？“高”是指分子量，可简单理解为分子的大小，即相对于小分子要高很多。打比方来说，假如把小分子想象成微观世界的一粒珠子，而高分子就像是把很多珠子串在一起的“项链”。

嵌段高分子，是指至少两段不同性质的高分子链嵌在一起，例如将两条不同的“项链”首尾相连。而当不同的链段非常“讨厌”彼此、又被“强行”连在一起时，就只能在几纳米到几百纳米的较小尺度上尽量相互“远离”，这时便会发生所谓的“微观相分离”现象，也可称为自组装。

此前，嵌段高分子自组装的理论已经较为成熟，并已被用于制备种类丰富、有序或无序的结构。例如，该研究所使用的嵌段高分子，可以自组装形成无规球状结构，从而得到交联的亲水高分子网络，即水凝胶材料。

不过，常见的嵌段高分子自组装得到的结构，通常比较简单和固定，而肌肉等天然材料具有多层级结构，复杂且极为精细。因此，该工作中更关键的一步在于材料处理，也就是应变诱导结晶。

▲图 | 人工肌肉纤维的制备过程（来源：资料图）

当对高分子材料施加应力时，例如沿轴向拉伸水凝胶纤维，高分子分子链会尽量以最大的堆积密度、按照一定的取向规则排列，从而得到结晶区。而对于该研究里的体系，自组装的球状结构由无法结晶的高分子组成，从而在应变诱导结晶过程中得以保存，最终形成了具有高度取向性的人工纤维材料。

新形成的高分子晶体，同时为材料添了一套新的可逆交联点，让其能锁住、或释放机械能。而人工肌肉纤维里的球状结构，类似于肌原纤维中的 I 带，能起到“永久交联点”的作用；人工纤维里的结晶区，则类似于肌原纤维中的 A 带，能起到“致动单元”的作用。

该团队坦言，虽然此次成果距离制备真正具有生物活性的天然肌肉还有很远的距离。不过，有别于天然肌肉只能收缩这一种方式，嵌段高分子人工肌肉更加灵活多变，可实现线性收缩、膨胀、以及旋转等不同的作用方式。

例如，课题组既能用加热法来让纤维收缩，也可利用水蒸气使纤维膨胀；还可通过加热螺旋型纤维实现间歇可控的转动，而通过加水则可实现持续性转动。出于好玩，他们还做了一把自动花伞，遇水便会自动开启。

（来源：Nature Nanotechnology）

近日，相关论文以《纳米结构的嵌段共聚物肌肉》（Nanostructured block copolymer muscles）为题，发表在 Nature Nanotechnology 上[1]。郎超担任第一作者，宾夕法尼亚州立大学材料科学与工程系教授罗伯特·希奇（Robert J. Hickey）担任通讯作者。

▲图 | 相关论文（来源：Nature Nanotechnology）

论文发表后，Nature Nanotechnology 专门刊载了一篇“news & views”，对该工作进行新闻报道和评述。麻省理工学院（MIT）机械工程系赵选贺认为，提高软物质机械性能的关键挑战之一，在于如何精准地调控纳米晶区的尺寸、密度以及空间分布。而该团队所提出的“借鉴天然肌肉结构”，是开发高性能软体致动器的有效策略。

纤维像“活了”一样抽搐起来

据悉，该项目的成立有一定的偶然性，先是课题组在实验中观察到了意外的新现象。当时，他们在做拉伸实验，目的是测试材料力学性能的强弱。结果发现，本来肉眼可见、非常柔软的水凝胶纤维拉伸以后，变得像发丝一样细，而且有很强的韧性。

重新泡到水里之后，纤维像“活了”一样抽搐起来，迅速收缩并恢复到初始状态。彼时，虽然该团队并不明白出现这种现象的原因，不过这种实验中的“节外生枝”，极大地激起了他们的研究热情。于是，为搞清楚背后原因，课题组便开展了一系列研究。

郎超说：“虽然类似的经历在学术研究中屡见不鲜，但每次亲身经历，这种实验中偶然看到的未知现象仍会让我觉得科学充满了魅力和趣味。”

▲图 | 人工肌肉纤维的晶体取向随着拉伸比提高（来源：Nature Nanotechnology）

研究初期，他们很快意识到纤维收缩和致动行为，来源于纤维中的高分子结晶，因此希望能清晰地知道材料的结构。在初步明晰材料的结构后，他们注意到人工纤维和天然肌肉具有极大的相似性。

于是，研究重点从材料结构和静态性质，转移到动态响应性和致动行为。当时，该团队面临的主要挑战是，他们之前主要在分子层面做理论研究，进入到人工肌肉这一偏重材料应用的领域时，不懂的东西有很多、也走了不少弯路。最终历时大约两年，终于完成研究、并将论文寄出。

研究项目早已结束，但在家中客厅做实验的往事，依然历历在目。2020 年，新冠疫情爆发，当时学校的实验室全部关闭。因为实验用的材料并没有毒性，所以郎超跟实验室申请，把一部分实验用品带回家里做了几个月的实验。那段时间，他在客厅开辟了一小片实验区，在家里测试样品。

“家人之前对我的研究向来似懂非懂。因为这次特殊的原因，得以跟他们详细地分享我的研究，比如一起挑选实验道具、录视频，想一些好玩的点子等。而且由于不能去实验室，有些设备只能用手边的道具代替，其实加热纤维用的是直发棒（哈哈）。”他说。

▲图 | 人工肌肉的性能比较（来源：Nature Nanotechnology）

而在这类成果的孵化上，已有不少人探索过柔性制动器和人工肌肉的应用，有些已经实现规模化生产，比如用于货物分拣的柔性机械臂等。

而该团队希望，利用人工肌肉纤维遇水收缩的功能去开发智能敷料，当贴到伤口上接触血液时，即可自行收紧实现伤口包扎。同时，利用纤维到水凝胶的转换，触发药物的释放。

据介绍，他们现在所用的嵌段高分子中亲水的部分，本身已具有生物相容性，只需将疏水链段也采用可生物降解的高分子比如聚乳酸等，即可用于生物医药领域。此外，由于人工肌肉纤维由亲水和疏水的不同区域构成，因此还能同时装载不同性质的药物。

希望开发以生物能源驱动的人工肌肉

另据悉，课题组此次采用了一种非常基本的 ABA 三嵌段高分子聚苯乙烯-聚环氧乙烷-聚苯乙烯。这一嵌段高分子的选择，更多是为了验证概念。

目前，高分子合成技术已非常发达，而可控选择的嵌段高分子种类极为丰富。因此，该团队接下来准备在分子层面，对嵌段高分子进行系统性研究，去探索如何优化嵌段高分子人工肌肉的性质和表现，进一步增强材料的机械性能和能量密度等。

而另一个需要解决的问题是，课题组目前所开发的材料，虽然能产生可逆的应力，但在致动完成后，需要手动重新拉伸纤维，才能产生新的应变。所以，下一步他们计划利用惰性的高分子作为锚定材料，通过将它和嵌段聚合物材料相结合，开发出能同时提供可逆应力和应变的人工肌肉。

另一方面，很多人都知道生命体系以 ATP（Adenosine triphosphate，腺嘌呤核苷三磷酸）、离子浓度梯度等化学能，作为能量来源。而现行的人工肌肉，主要利用热、电、光、磁等形式的能量。

因此，该团队也希望开发出以生物能源驱动的人工肌肉，这样无需额外能量来源，就能直接在生命体内运行，从而更好地用于人体。目前，该实验室仍在招募高分子或相关专业的同学加入，感兴趣可给郎超老师发邮件（langchao@scut.edu.cn）。

参考资料：

1.Lang, C., Lloyd, E.C., Matuszewski, K.E. et al. Nanostructured block copolymer muscles. Nat. Nanotechnol. (2022). https://doi.org/10.1038/s41565-022-01133-0