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近期，北京航空航天大學(xué)劉明杰教授團(tuán)隊(duì)提出了一種收到生物骨骼肌啟發(fā)的有機(jī)水凝膠人工肌肉。骨骼肌主要通過(guò)多個(gè)肌纖維的收縮產(chǎn)生力，而里的方向則通過(guò)筋膜來(lái)限制統(tǒng)合。根據(jù)這一原理，劉明杰教授團(tuán)隊(duì)采用了一種含有定向親水響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)和親油約束網(wǎng)絡(luò)協(xié)同結(jié)合的水凝膠材料（OAH）制備人工肌肉。這種水凝膠的人工肌肉的收縮主要通過(guò)疏水微區(qū)的方向性網(wǎng)絡(luò)變形來(lái)驅(qū)動(dòng)的，相比傳統(tǒng)利用體積變化驅(qū)動(dòng)的水凝膠人工肌肉，這種策略可以避免溶劑擴(kuò)散帶來(lái)的限制。因此這種水凝膠人工肌肉的致動(dòng)頻率為0.11赫茲，是傳統(tǒng)的溶劑擴(kuò)散驅(qū)動(dòng)的水凝膠人工肌肉（<10-3赫茲）的110倍，并且可以舉起超過(guò)自身重量的85倍。該工作以題為“High-performance organohydrogel artificial muscle with compartmentalized anisotropic actuation under micro-domain confinement”的文章發(fā)表于Advanced Materials上。

OAH人工肌肉的制備方法及性能

通過(guò)模擬骨骼肌的結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)機(jī)制，該文所提出的水凝膠主要通過(guò)異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)來(lái)調(diào)節(jié)體積相變過(guò)程中的溶劑擴(kuò)散。通過(guò)兩親性溶劑溶脹法將聚（甲基丙烯酸十桂酯）（PLMA）組成的親油網(wǎng)絡(luò)滲透到聚（n-異丙基丙烯酰胺）（PNIPAM）水凝膠中。所得到的OHA包含一個(gè)定向的親水網(wǎng)絡(luò)作為響應(yīng)單元，對(duì)應(yīng)于肌絲；以及一個(gè)彈性的親油網(wǎng)絡(luò)作為約束網(wǎng)絡(luò)，對(duì)應(yīng)于筋膜當(dāng)。OAH人工肌肉加熱到較低的臨界溶液溫度（LCST）以上時(shí)，PNIPAM網(wǎng)絡(luò)由親水變?yōu)槭杷沟肞NIPAM網(wǎng)絡(luò)中的水脫出。相互滲透的PLMA網(wǎng)絡(luò)在水的疏水相互作用下聚集，形成疏水相。PLMA相和坍縮PNIPAM可以共同形成致密疏水層，限制溶劑在微疇內(nèi)的擴(kuò)散，使得水保持在水凝膠內(nèi)，因此增加了水凝膠人工肌肉的響應(yīng)速度。

為了比較機(jī)理的差異，文中主要采用類似的具有雙親水網(wǎng)絡(luò)水凝加（HA）作為對(duì)照。通過(guò)刺激響應(yīng)伸縮實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，OHA的收縮過(guò)程為3.2 s ± 0.5 s，延伸過(guò)程為6.0s±0.9s，而HA的速度更低(收縮過(guò)程為60 s ± 10 s，延伸過(guò)程為360 s ± 30 s)。并且隨著親油網(wǎng)絡(luò)含量的增加，驅(qū)動(dòng)頻率從2×10-3 Hz增加到2×10-1 Hz。相比之下，HA的驅(qū)動(dòng)頻率（2×10-3 Hz）遠(yuǎn)低于所有OHA樣本。

我們研究了親油網(wǎng)絡(luò)含量對(duì)驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度的影響。在熱水中浸泡（60℃）后，所有樣品迅速達(dá)到最大驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度，隨后由于聚合物弛豫而緩慢下降。OHA的驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度隨著親油網(wǎng)絡(luò)含量增加而增加（從21.7 kPa上升47.3 kPa）。以上實(shí)驗(yàn)表明，驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度源于各向異性網(wǎng)絡(luò)，親油網(wǎng)絡(luò)的含量影響其維持取向的能力。低親油網(wǎng)絡(luò)含量的OHA難以維持PNIPAM的取向，導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度下降。然而，過(guò)量的親油網(wǎng)絡(luò)也阻礙了響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的收縮。

OAH人工肌肉快速響應(yīng)機(jī)理解釋

通過(guò)染料對(duì)親油網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行標(biāo)記。圖像顯示了微觀尺度上的異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)，親油網(wǎng)絡(luò)的形狀從15℃時(shí)的條帶狀（長(zhǎng)度10-100 μm，寬度1-20 μm）到60℃時(shí)的球狀狀（直徑1-30μm）。考慮到宏觀OHA與條帶到球狀體的應(yīng)變差異，親油相的構(gòu)象變化可能源于聚集過(guò)程中PNIPAM的分裂。這說(shuō)明彈性親油網(wǎng)絡(luò)在PNIPAM壓縮下可以存儲(chǔ)能量，而彈性能量在粘性網(wǎng)絡(luò)中耗散，儲(chǔ)存的能量隨后將被釋放，似于筋膜的延伸過(guò)程。

小結(jié)：該文提出了一種通過(guò)結(jié)合異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)制備高速、高驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度、大尺寸的水凝膠人工肌肉的方法。這種水凝膠的快速響應(yīng)主要?dú)w因于親油網(wǎng)絡(luò)的軟約束效應(yīng)，主要效應(yīng)包括通過(guò)形成疏水致密層，將溶劑限制為微疇；確定PNIPAM網(wǎng)絡(luò)的變形方向，定向集中驅(qū)動(dòng)力和儲(chǔ)存彈性能量，以協(xié)助伸長(zhǎng)過(guò)程。這種OHA的變形機(jī)理可以為提高水凝膠人工肌肉驅(qū)動(dòng)性能提供更多的空間，擴(kuò)大了其應(yīng)用范圍。