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  人工肌肉是一種可以根據外部刺激可逆收縮/伸長、彎曲或旋轉的一類智能軟材料，在軟機器人、假體義肢和微型流體驅動器等各種應用中顯示出巨大的潛力。盡管電磁引擎一直被用于驅動機器人和假肢設備中，但這些驅動器往往具有剛性、笨重的性能以及沉重的質量，限制了它們在有限的空間中提供盡可能大的驅動行程，而不能像人體肌肉一樣可以靈活地驅動人的身體。因此，人工肌肉材料迅速得到發展，它們試圖模仿自然肌肉的結構和功能。但要模仿像人體組織一樣以水為主要成分的天然肌肉的結構和功能，仍然面臨巨大的挑戰。由大量水組成的水凝膠材料類似于生物軟組織，但水凝膠薄弱的力學性能往往阻礙其實際應用。為了解決這一問題，人們通過采用不同的策略來優化聚合物網絡，如拓撲水凝膠、雙網絡水凝膠和納米復合水凝膠等。這些水凝膠雖然具有優異的力學強度的水凝膠，但由于它們的各向同性網絡，這些水凝膠膨脹/收縮同樣呈現出各向同性的特點。因此，制備與人體肌肉含水量相當、大沖程、高工作容量的人工肌肉仍然是一項巨大的挑戰。

  近日，武漢大學常春雨課題組受植物卷須啟發，提出了一種簡單而有效的策略來制備卷須狀水凝膠人工肌肉，可以實現大沖程、高工作容量，并具有形狀記憶特性。水凝膠肌肉還能夠像自然界中的植物卷須一樣實現卷曲、收縮以及捕捉支撐物等動作，這種收縮甚至可以驅動汽車模型的運動。這項工作為解決水凝膠人工肌肉制造具有大行程驅動、高工作容量和形狀記憶特性的局限性提供了一種策略。相關工作以“Bioinspired Shape Memory Hydrogel Artificial Muscles Driven by Solvents”為題，發表在《ACS Nano》上。

  如圖1所示，水凝膠人工肌肉以環糊精修飾的海鞘纖維素納米晶體作為增強相和多功能交聯劑，分散在丙烯酰胺、丙烯酸、丙烯酰胺金剛烷混合溶液中，引發聚合制備高延展性復合水凝膠。該凝膠經過定向拉伸-加捻-纏繞連續操作，形成彈簧狀水凝膠，再經過鐵離子交聯，得到水凝膠人工肌肉。

圖1. 水凝膠人工肌肉的合成。（a）水凝膠人工肌肉制備流程及網絡結構示意圖。（b）同向手性和反向手性水凝膠肌肉的取向過程。

  值得注意的是，由于水凝膠加捻和螺旋方向具有手性，水凝膠肌肉可形成兩種螺旋結構：同向手性肌肉和反向手性肌肉兩種。這兩種肌肉在溶劑刺激響應中展現出了截然相反的性能。反向手性肌肉在乙醇中快速收縮，在水中伸長恢復；而同向手性肌肉在乙醇中伸長，在水中恢復收縮，如圖2所示。

圖2. 水凝膠肌肉的驅動動力學和形態。反向手性水凝膠肌肉的實物圖（a）和驅動動力學與含水量（b）。同向手性水凝膠肌肉的實物圖（c）和驅動動力學與含水量（d）。（e, f）水凝膠肌肉的SEM圖像。

  水凝膠肌肉的驅動性能與水凝膠纖維的加捻密度密切相關。加捻密度對肌肉的驅動速度和驅動位移的影響示于圖3，可以看出在加捻密度為469 turns m^-1時，肌肉的驅動速度最快，反向手性肌肉的速度達到-13.7% s^-1，而收縮位移也達到了-65%。而同向手性肌肉的伸長速率可達17.9% s^-1，位移達到473%。反向手性肌肉在乙醇噴霧的刺激下可以穩定產生0.15 MPa的收縮應力，而同向手性肌肉在水噴霧的刺激下可以產生0.22 MPa的收縮應力。反向手性肌肉的工作能力最大達到1.6 J kg^-1而同向手性肌肉可達11.8 J kg^-1。

圖3. 水凝膠肌肉的驅動性能。反向手性水凝膠肌肉（a）和同向手性水凝膠肌肉（d）的初始驅動速度和驅動應變對扭轉密度的關系。反向手性水凝膠肌肉（b）和同向手性水凝膠肌肉（e）對乙醇和水噴霧響應的驅動應力變化。反向手性水凝膠肌肉（c）反向手性肌肉和同向手性肌肉（f）的驅動應變和工作能力對外加應力的關系。

  水凝膠肌肉還可以通過形狀記憶效應實現對自然界卷須動作的模擬。如圖4所示，水凝膠肌肉可在乙醇中脫水形成兩種暫時形狀。通過在乙醇中將水凝膠拉直或解旋，得到形狀Ⅰ和形狀Ⅱ。形狀Ⅰ在水噴霧下受到刺激恢復為原來形狀，這個過程成功模擬出黃瓜卷須在自然界中的運動模式，包括卷須的攀附纏繞和軸向收縮產生手性結的特點。而形狀Ⅱ則可以實現更大距離的收縮，產生更大的工作能力（42.4 J kg^-1），這與自然肌肉的工作能力相當。將形狀Ⅱ的水凝膠用在模型小車的引擎上，通過對水凝膠施加濕度刺激，水凝膠肌肉恢復，實現收縮，帶動小車向前行駛。

圖4. 同向手性水凝膠肌肉的形狀記憶效應及其應用。（a）同向手性水凝膠的形狀記憶效應示意圖。（b）同向手性水凝膠的驅動應變和工作容量隨外加應力的變化。（c）單端栓系同向手性水凝膠Ⅰ對水的刺激響應。（d）兩端栓系同向手性水凝膠Ⅰ對水的刺激響應。（e）兩端栓系同向手性水凝膠Ⅱ對水的刺激響應。（f）以同向手性水凝膠為引擎，由水噴霧驅動的小車模型運動。

  本工作報道一種新型仿生水凝膠人工肌肉的制備方法。利用納米纖維素增強水凝膠的力學性能，通過牽伸、加捻、纏繞等力場控制納米纖維素的排列方式，賦予水凝膠肌肉高強度以及收縮或伸長的能力。該水凝膠人工肌肉含水量以及工作容量與自然肌肉媲美，可用于微引擎、軟機器人等領域，為人工肌肉的開發和應用提供了新思路。

  武漢大學化學與分子科學學院碩士研究生崔言德為本文第一作者，通訊作者為武漢大學化學與分子科學學院常春雨副教授。該研究得到了國家自然科學基金（52073217, 51873164），國家重點研究發展計劃（2018YFE0123700）和湖北省重點研究發展計劃（2020BCA079）的資助。

  論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.1c05019

  課題組主頁：https://www.x-mol.com/groups/Chang_cy