这种“人工肌肉”可以反复开关小伞，也可以一次性掐灭火苗！| 南开刘遵峰课题组NSR

2023-01-12 03:01

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近期，南开大学化学学院刘遵峰教授合作团队在《国家科学评论》（National Science Review, NSR）上发表文章，报道了一种利用热力学-扭转耦合而实现的多模态人工肌肉。与已经报道的各类人工肌肉相比，这种新型人工肌肉的独特之处在于：在不同温度下对这种人工肌肉进行预先热处理，可以使其在不同的温度范围内具有不同的、可逆或不可逆的驱动性能：

在可逆驱动范围内，它可以反复伸长、收缩，实现多种功能，比如开关小伞、拾取物品等；
在不可逆范围内，它则可以一次性发生变形，实现掐灭火苗等其他功能。

南开大学胡晓宇博士为论文第一作者，南开大学刘遵峰教授、中国药科大学周湘副教授为共同通讯作者。

尼龙6纤维人工肌肉反复伸长、收缩，开关小伞

尼龙6纤维人工肌肉一次性收缩，掐灭火苗

人工肌肉的主体部分是由“尼龙6”或其他半结晶高分子纤维扭转而成的螺旋结构，在一定温度下对其进行热处理，即可赋予其在不同温度范围内的不同热驱动性能。例如，在180℃对其进行热处理后：

驱动温度≪热处理温度时，人工肌肉为完全可逆模式；例如，将其反复升温至60℃、90℃或120℃温度，人工肌肉将完全可逆地反复伸长和完全回缩。
驱动温度不超过但接近热处理温度时，人工肌肉为不完全可逆模式；例如，将其反复升温至150℃或180℃，人工肌肉也将反复伸长和回缩，但其回缩时所达到的长度大于其原始长度。
驱动温度>热处理温度时，人工肌肉为完全不可逆模式；例如，将其升温至200℃后再降温，人工肌肉将一次性伸长而不会回缩。

在180℃进行热处理后，人工肌肉反复升温至不同温度时的长度变化模式

为进一步阐明这一过程中的“热力学-扭转耦合”原理，研究者还对过程中的结构变化进行了表征。结果显示，穿插在晶区间的无定形区的变化是多种驱动模式产生的关键。在温度驱动下，无定形区可以由受力相转化为自由相，如果在降温后自由相可以完全恢复为受力相，则驱动过程可逆，如果不能完全恢复、或完全不能恢复，则为不完全可逆或完全不可逆的驱动模式。

热力学-扭转耦合尼龙6人工肌肉纤维的结构演变：(a-d) 结构表征，(e)示意图。

实验显示，上述人工肌肉不仅可以实现多种驱动模式和多种运动形式，还具有易于调控、做功能力和输出功率强、使用温度范围广泛等优点，可以在多种不同的情形下得到应用。以尼龙6人工肌肉为例，其测得的最大做功能力达到2.1 J/g，是天然肌肉的50多倍，最大输出功率为2.5 kW/kg，最大可收缩应变达到85%，在这些方面的性能综合指标超过多种其他类型的人工肌肉。

在文章中，作者展示的此类人工肌肉的多种应用场景，如封堵管道缺口、用作管道支架、熄灭火焰、开关小伞、拾取物品、构建蠕动机器人等。