近日，西北工業(yè)大學(xué)航空學(xué)院苗應(yīng)剛副教授和四川大學(xué)張新星教授研究團(tuán)隊(duì)在國(guó)際頂級(jí)期刊《Advanced Materials》在線發(fā)表題為《Self-Healing Yet Strong Actuator Materials with Muscle-Like Diastole and Contraction via Multilevel Relaxations》的研究論文。

骨骼肌代表了軟機(jī)器人技術(shù)的典范，具有敏捷的運(yùn)動(dòng)和令人難以置信的機(jī)械堅(jiān)固性。然而，現(xiàn)有致動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)參數(shù)仍然無(wú)法與生物組織相媲美，此外結(jié)構(gòu)成分之間缺乏有機(jī)整合限制了人造材料自下而上的協(xié)同調(diào)節(jié)，而單調(diào)的運(yùn)動(dòng)模式和對(duì)不可逆損傷的敏感性，使得現(xiàn)有的人造肌肉尚未與它們的生物對(duì)應(yīng)物相匹配，這在復(fù)雜的實(shí)際變形場(chǎng)景中會(huì)產(chǎn)生不可靠的驅(qū)動(dòng)。因此，迫切需要開發(fā)一種強(qiáng)致動(dòng)材料實(shí)現(xiàn)人體肌肉樣舒張和收縮以達(dá)到自愈的效果。為了解決上述問(wèn)題，西北工業(yè)大學(xué)苗應(yīng)剛、四川大學(xué)張新星等人開發(fā)了一種通過(guò)多級(jí)松弛實(shí)現(xiàn)具有肌肉樣舒張和收縮的自愈性強(qiáng)致動(dòng)材料，它可以模擬肌肉收縮和舒張，具有通過(guò)超分子相互作用組裝的定向可滑動(dòng)網(wǎng)絡(luò)。負(fù)載在具有多動(dòng)態(tài)鍵位點(diǎn)的剝離二硫化鎢納米片上的樹枝狀多酚改性銅納米球在肌肉中充當(dāng)肌球蛋白，而真殼凝膠中的聚合物鏈模擬肌動(dòng)蛋白絲。所制備的人工肌肉材料 （AMM）通過(guò)拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)的熱膨脹和排列鏈在高溫下的α弛豫伴隨著分層結(jié)構(gòu)的滑移來(lái)執(zhí)行舒張或收縮驅(qū)動(dòng)，此外，在可重構(gòu)界面處動(dòng)力學(xué)活躍的次級(jí) β/γ/δ-弛豫可以克服固定取向聚合物鏈有限的自愈能力。獲得的人造肌肉表現(xiàn)出高輸出驅(qū)動(dòng)、堅(jiān)固的機(jī)械性能（抗拉強(qiáng)度為 33.5 MPa）和所需的功能、機(jī)械自愈效率 （89.7%），超過(guò)了生命系統(tǒng)中的典型自然肌肉。仿生微納設(shè)計(jì)策略實(shí)現(xiàn)自下而上的協(xié)同松弛調(diào)制，整合自然肌肉的全面性能，為下一代智能機(jī)器人的實(shí)質(zhì)性進(jìn)步鋪平了道路。

西北工業(yè)大學(xué)航空學(xué)院苗應(yīng)剛副教授和四川大學(xué)高分子材料工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室張新星教授為論文的共同通訊作者；該論文的第一作者為四川大學(xué)高分子研究所在讀碩士生黃焯，第二作者為西北工業(yè)大學(xué)航空學(xué)院、沖擊動(dòng)力學(xué)及其工程應(yīng)用陜西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在讀碩士生吳知博。西北工業(yè)大學(xué)航空學(xué)院、沖擊動(dòng)力學(xué)及其工程應(yīng)用陜西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，以及強(qiáng)度與結(jié)構(gòu)完整性全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室為通訊作者單位。該研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(52173112, 52373116,12472392)和中國(guó)航空科學(xué)基金(20230041053006)的資助。

圖片簡(jiǎn)介：

圖1 仿生驅(qū)動(dòng)材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì):(a)天然肌肉的示意圖及其運(yùn)動(dòng)機(jī)理, (b-e)類肌肉納米復(fù)合材料多功能驅(qū)動(dòng)與作用示意圖

圖2 人工肌肉材料微納結(jié)構(gòu)的組裝與表征信息

圖3 高活性多級(jí)松弛和自愈合等機(jī)械響應(yīng)特性

圖4 類肌肉收縮、舒張和驅(qū)動(dòng)相應(yīng)特征與參數(shù)

圖5 功能修復(fù)的驅(qū)動(dòng)演示:(a-b)夾持器釋放; (c-d)夾持器夾持示意圖;(e)夾持器驅(qū)動(dòng)參數(shù); (f)起吊起物體功能演示; (g)仿生手臂肘部彎曲特性;(h)與其他天然或人工材料性能的比較