人可以跳機械舞，但機器人卻不能跳芭蕾舞。一直以來，研發(fā)靈活精細且具有類人功能的機械手是人們追求的目標。然而，越靈活精細的結(jié)構(gòu)，越復(fù)雜的功能終將導(dǎo)致假肢的尺寸、重量遠超正常人手。因此，簡化其動力布局及反饋電路系統(tǒng)成為一種必然趨勢。相比于基于杠桿、鉸鏈和齒輪等動力系統(tǒng)的傳統(tǒng)機械手，基于肌腱驅(qū)動的人體生物學(xué)假肢則更簡潔，更靈活也更具有合適的尺寸。
目前，商用的人體生物學(xué)假肢有Okada機械手，Utah/MIT機械手以及DLR機械手。這些機械手的仿真肌腱主要由尼龍、橡膠、PET材料等制成。而這些傳統(tǒng)材料的韌性較差（韌性是指材料在斷裂前每單位體積所吸收的能量），不足以應(yīng)付假肢長期且多次重復(fù)的使用。另一方面，上述材料均不導(dǎo)電，不能將反饋電路與動力系統(tǒng)集成為一個簡化的系統(tǒng)進而實現(xiàn)設(shè)計尺寸的縮小。因此，開發(fā)同時具有高韌性和高電導(dǎo)率的肌腱材料則成為關(guān)鍵。
近日，新加坡南洋理工大學(xué)陳曉東教授研究團隊、浙江大學(xué)李德昌教授和新加坡A*STAR程淵高級研究員研究團隊合作將高韌性材料蜘蛛絲改良，引入PEDOT:PSS@SWCNT，使蜘蛛絲同時具有高韌性和高電導(dǎo)率，使其韌性值達到420 MJ/m3，電導(dǎo)率達到1077 S/cm，性能超過目前的導(dǎo)電材料（如圖1所示）。
圖1. (a)不同導(dǎo)電材料的導(dǎo)電率以及韌性的比較，粉色五角星代表本工作；(b)蜘蛛絲實物圖；(c)(d)導(dǎo)電蜘蛛絲的電鏡圖以及橫截面圖；(e)導(dǎo)電蜘蛛絲的應(yīng)力應(yīng)變曲線；(f)(g)導(dǎo)電蜘蛛絲的電導(dǎo)率以及韌性隨單壁碳納米管含量不同的變化曲線。
研究人員將引入了單壁碳納米管的蜘蛛絲制備成了“電肌腱”，該電肌腱同時具有高電導(dǎo)率和高韌性，與壓力傳感器一起組裝到具有人體生物學(xué)結(jié)構(gòu)的機械手上，并測試其性能。結(jié)果顯示該機械手的單根肌腱能夠承受最大約7.6 Kg的負載，同時該肌腱能夠重復(fù)拉伸/彎曲超過4萬次而其電導(dǎo)率基本保持不變（如圖2a和2b）。使用該電肌腱機械手的綜合性能遠超以鋼絲，尼龍，碳纖維、橡膠等材料為肌腱的機械手的性能。最后研究人員考察了基于導(dǎo)電蛛絲和非導(dǎo)電尼龍仿生假肢抓取物體的過程。通過對比發(fā)現(xiàn)，因為集成了壓力反饋系統(tǒng)，基于電肌腱的機械手能夠很好的抓取氣球。而基于尼龍的機械手卻難以抓取（如圖2c和2b）。該工作對研發(fā)靈活且具有多功能的假肢提供了新的思路。
圖2. (a)基于不同材料機械手的拉伸彎曲次數(shù)比較；(b)基于不同材料機械手負載比較；(c)(d)基于尼龍以及導(dǎo)電蜘蛛絲的機械手抓取氣球的過程比較。
相關(guān)工作以題目為 A supertough electro-tendon based on spider silk composites 發(fā)表在Nature Communications (Nat. Commun. 2020, 11, 1332)上，并申請專利一項：Singapore Patent Application No. 10201807020R。此項研究工作還得到了新加坡A*STAR的張勇偉教授和浙江大學(xué)季葆華教授的大力協(xié)助。
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