人造肌肉由於具有外部刺激下可逆地收縮/膨脹、彎曲或旋轉的特性在各種應用中展現出巨大的潜力。儘管電磁馬達長期以來一直用於驅動機器人和假肢設備,但這些執行器的剛性、笨重和笨重的特性限制了它們在較小的足迹中提供大的收縮行程。囙此,眾多類型的人造肌肉得到了迅速的發展,試圖模仿天然肌肉的功能。由大量水組成的水凝膠類似於生物軟組織,但其較弱的機械效能阻礙了其實際應用。為了解决這個問題,已經開發了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複合水凝膠),但它們缺乏强大的驅動和力生成功能。受肌肉明確的各向異性結構的啟發,近年來探索了各種具有高度有序結構的納米複合水凝膠。這些水凝膠致動器通過外部刺激(如溫度、pH值、光等)的形狀變化表現出可控的變形和運動。儘管如此,這些水凝膠仍受限於較差的機械效能差和較低的工作能力,囙此製造人造肌肉依然極具挑戰性。
鑒於此,武漢大學常春雨副研究員報告了一種簡單而有效的策略來製備具有大行程和形狀記憶特性的卷鬚狀水凝膠人工肌肉。實現這種合理設計的關鍵是將被囊狀纖維素納米晶體(TCNC)結合到聚合物網絡中,以增强可以耐受後續成型過程的水凝膠。通過連續拉伸、扭曲和捲繞過程處理TCNC增强的水凝膠,並通過Fe3+/–COO–離子配比特鎖定成形結構,從而獲得受卷鬚啟發的水凝膠。這些水凝膠肌肉響應於溶劑表現出高驅動率、大驅動應變和形狀記憶特性。水凝膠肌肉的驅動效能受其手性、扭曲密度、施加的應力和臨時形狀的影響。此外,具有臨時形狀II的同手性水凝膠肌肉顯示出與天然肌肉相當的收縮工作能力,可用作驅動汽車模型運動的發動機。這項工作展示了一種簡單有效的水凝膠人造肌肉製造策略,由於其含水量和收縮功與天然肌肉相當,囙此具有巨大的生物醫學應用潜力。相關工作以“Bioinspired Shape Memory Hydrogel Artificial Muscles Driven by Solvents”為題發表在國際期刊《ACS Nano》上。
水凝膠人工肌肉的合成
首先,在β-環糊精修飾的被囊類纖維素納米晶體(β-CD-TCNC)。由於存在動態主客體相互作用,這種原始水凝膠可以發生各種變形,例如拉伸、扭曲和打結,其極限拉伸應變高達2200%。通過將成型的水凝膠浸入FeCl3水溶液中,通過Fe3+/–COO–離子配比特固定彈簧狀結構,獲得含有約50%水且間距均勻的卷鬚狀水凝膠人造肌肉(如圖1)。拉伸後水凝膠的拉伸强度和斷裂伸長率分別為64 MPa和29%。對於捲曲水凝膠,其拉伸强度略微降低至58 MPa,但其斷裂伸長率高達878.7%。這些結果表明這些水凝膠樣品顯示出良好的機械效能,研究人員通過改變捲曲方向設計了兩種具有相反手性的水凝膠人工肌肉,左手捲曲肌是同手性的,右手捲曲肌是异手性的,它們表現出完全相反的驅動特性。此外,异手性水凝膠肌肉可在乙醇中的快速收縮和在水中的恢復(如圖2)。由於水凝膠樣品在乙醇中脫水,异手性水凝膠肌肉可以在20秒內線性收縮-65%,其中水含量從50%下降到32%。在水中溶脹40秒後,將水凝膠异向肌肉回收隨著水含量新增至53%,這些結果表明乙醇和水能够以高驅動率驅動异手性水凝膠肌肉。乙醇中同手性水凝膠肌肉的驅動應變高達473%,因為水凝膠線圈中插入的扭曲放大了膨脹時的驅動效能。
圖1.水凝膠人工肌肉的合成
圖2.水凝膠肌肉的驅動動力學和形態
水凝膠肌肉的驅動特性及形狀記憶應用
為了優化水凝膠的驅動效能,作者研究了插入扭曲對水凝膠肌肉機械效能的影響(圖3)。由於扭曲密度為469匝/米,异手性水凝膠肌肉表現出最高的初始速度-13.7% s–1。當扭曲密度逐漸新增時,异手性肌的收縮應變從-51%變為-76%。高插入扭曲密度使水凝膠肌肉能够產生較大的節距,從而在收縮過程中產生較大的致動應變。對於同手性水凝膠肌肉,在同樣的扭曲密度下擴張的初始速度也達到了最大值(17.9% s–1)。這些結果表明具有中等插入扭曲密度的水凝膠肌肉表現出高驅動速度和大驅動應變。水凝膠肌肉的膨脹/收縮行為在多個水和乙醇切換迴圈中是可逆和可重複的。
圖3水凝膠肌肉的驅動特性
此外,為了提高水凝膠肌肉的工作能力,作者選擇了同手性水凝膠來設計形狀記憶肌肉。兩種臨時形狀,(1)將純手性水凝膠肌肉依次展開、拉直、脫水得到臨時形狀I;(2)將純手性水凝膠肌肉直接拉伸並在乙醇中浸泡5分鐘,得到臨時形狀II。對於臨時形狀I的兩端拴系的單手肌,其在水化過程中的捲曲受到限制,導致形成了倒轉結構。由於彈性勢能通過拉伸同手性水凝膠以臨時形狀II儲存,水凝膠肌肉的最大工作能力達到42.4 J kg–1,遠高於同手性(11.8 J kg–1)和异手性(1.6 J kg–1)水凝膠,與天然肌肉的工作能力(40 J kg–1)相當。此外,作者使用具有臨時形狀II的兩端繫繩單手性水凝膠作為發動機設計了一個玩具汽車模型(~21 g)。通過水凝膠肌肉的收縮,汽車模型可以通過噴水驅動在10分鐘內移動8釐米。該結果表明,水凝膠肌肉引擎能够驅動重量為自身重量900倍的汽車模型的運動。
圖4同手性水凝膠肌肉的形狀記憶效應和應用
小結:作者通過連續成型過程的合理設計,成功製造了受卷鬚啟發的水凝膠人工肌肉。為了實現水凝膠的高機械效能,通過主客體相互作用將TCNCs結合到聚合物網絡中。成形過程不僅促進了水凝膠肌肉的拉伸驅動,而且賦予了它們形狀記憶特性。同手性水凝膠肌肉對水的收縮應變高達-87%,遠遠超過其他報導的人造肌肉。此外,具有臨時形狀II的同手性水凝膠肌肉可用作驅動汽車模型運動的引擎。這項工作為製備水凝膠人工肌肉提供了一種簡單有效的策略具有巨大的生物醫學應用潜力。
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https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.1c05019
原文刊載於【高分子科學前沿】公眾號
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