近日，西北工業大學航空學院苗應剛副教授和四川大學張新星教授研究團隊在國際頂級期刊《Advanced Materials》在線發表題為《Self-Healing Yet Strong Actuator Materials with Muscle-Like Diastole and Contraction via Multilevel Relaxations》的研究論文。
骨骼肌代表了軟機器人技術的典范，具有敏捷的運動和令人難以置信的機械堅固性。然而，現有致動器的驅動參數仍然無法與生物組織相媲美，此外結構成分之間缺乏有機整合限制了人造材料自下而上的協同調節，而單調的運動模式和對不可逆損傷的敏感性，使得現有的人造肌肉尚未與它們的生物對應物相匹配，這在復雜的實際變形場景中會產生不可靠的驅動。因此，迫切需要開發一種強致動材料實現人體肌肉樣舒張和收縮以達到自愈的效果。為了解決上述問題，西北工業大學苗應剛、四川大學張新星等人開發了一種通過多級松弛實現具有肌肉樣舒張和收縮的自愈性強致動材料，它可以模擬肌肉收縮和舒張，具有通過超分子相互作用組裝的定向可滑動網絡。負載在具有多動態鍵位點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肌球蛋白，而真殼凝膠中的聚合物鏈模擬肌動蛋白絲。所制備的人工肌肉材料 （AMM）通過拓撲網絡的熱膨脹和排列鏈在高溫下的α弛豫伴隨著分層結構的滑移來執行舒張或收縮驅動，此外，在可重構界面處動力學活躍的次級 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出高輸出驅動、堅固的機械性能（抗拉強度為 33.5 MPa）和所需的功能、機械自愈效率 （89.7%），超過了生命系統中的典型自然肌肉。仿生微納設計策略實現自下而上的協同松弛調制，整合自然肌肉的全面性能，為下一代智能機器人的實質性進步鋪平了道路。
西北工業大學航空學院苗應剛副教授和四川大學高分子材料工程國家重點實驗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高分子研究所在讀碩士生黃焯，第二作者為西北工業大學航空學院、沖擊動力學及其工程應用陜西省重點實驗室在讀碩士生吳知博。西北工業大學航空學院、沖擊動力學及其工程應用陜西省重點實驗室，以及強度與結構完整性全國重點實驗室為通訊作者單位。該研究工作得到了國家自然科學基金面上項目(52173112, 52373116,12472392)和中國航空科學基金(20230041053006)的資助。
圖片簡介：
圖1 仿生驅動材料的結構設計:(a)天然肌肉的示意圖及其運動機理, (b-e)類肌肉納米復合材料多功能驅動與作用示意圖
圖2 人工肌肉材料微納結構的組裝與表征信息
圖3 高活性多級松弛和自愈合等機械響應特性
圖4 類肌肉收縮、舒張和驅動相應特征與參數
圖5 功能修復的驅動演示:(a-b)夾持器釋放; (c-d)夾持器夾持示意圖;(e)夾持器驅動參數; (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
論文信息：
Zhuo Huang, Zhibo Wu, Changchun Li, Xinkai Li, Xin Yang, Xiaoyan Qiu, Yuyan Wang, Yinggang Miao*, Xinxing Zhang*.Self-Healing Yet Strong Actuator Materials with Muscle-Like Diastole and Contraction via Multilevel Relaxations. Advanced Materials, 2024, 2413194.
論文鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202413194
期刊信息：
Advanced Materials是工程與計算學科、材料與化學領域的頂尖期刊，其2023 Journal Impact Factor=27.4。
（撰稿：苗應剛；審核：李斌）
