石墨烯助力仿生人造肌肉，一篇Nature Nano！

一、導讀

人造肌肉可以在外界刺激下反復調制幾何形狀或尺寸大小，在下一代軟機器人、智能服裝、生物啟發系統、植入式醫療強化等方向具有巨大的應用前景。在人造肌肉的幾種不同的驅動特性中，基于刺激響應的聚合物結構具有重量輕、高彈性和易于加工的特點，有望解決傳統液壓和氣動致動器的固有局限性。然而這些宏觀層面可以產生較大形變的高分子材料通常具有固有的脆弱機械性能。為解決這一問題，將剛性填料引入定制的聚合物基體中形成的復合結構作為實現高機械性能、具有大致動變形等功能的一種途徑正引起關注。

這種復合型致動器的主要研究方向集中在最佳的材料選擇和合成后的宏觀結構工程，如螺旋扭曲或卷繞，旨在最大限度地提高致動器性能。然而，對于實際的人造肌肉系統，需要致動參數相互高度契合，包括應變、應力、能量密度或功率，以及在致動和松弛狀態下可以承受大的外部載荷的可靠機械強度。

二、成果掠影

在此基礎上，韓國科學技術院Sang Ouk Kim等人，報道了受哺乳動物骨骼肌啟發的單纖維和束，具有較大而強的收縮驅動。在單軸液晶基質中，使用剝離的石墨烯填料，使得光熱驅動具有較大工作容量并且可以快速響應。

此外，電開關可以實時監測石墨烯填料的可逆滲流。這種動態滲濾行為，有效地增強了致動器纖維的機械性能，特別是在收縮的致動狀態下，使哺乳動物肌肉樣品實現可靠的可逆致動成為可能。

相關研究工作以“Human-muscle-inspired single fibre actuator with reversible percolation”為題發表在國際頂級期刊《Nature nanotechnology》上。

三、核心創新

該合成肌肉纖維以液晶彈性體(LCE)作為應變可逆驅動基質，通過加入具有超大形狀各向異性的石墨烯填料來解決基質固有的弱機械性能和遲緩的熱弛豫問題。

一維纖維幾何形狀中宏觀的精確對準以及在石墨烯表面LC基團的強結合使得能夠機械性能有效地提高，且保留了真正的大的可逆致動（高達45%）。

石墨烯填料在近紅外（NIR）照射刺激下快速驅動，最終的驅動性能分別達到650J/kg和293 W/kg的工作能力和功率密度，大約是人類肌肉行為的17和6倍。并且定制的人造手可以遠程操控。

這也是第一個具有熱力學驅動的納米級填料網絡可逆滲流的纖維型軟致動器。

四、數據概覽

圖1 類似人類肌肉的人造肌肉纖維 ? 2022 The Authors

（a）由肌原纖維組成的骨骼肌的結構組織和驅動機制；

（b）G-LCF（石墨烯液晶彈性體纖維）復合纖維可逆滲流變形機理示意圖；

（c）G-LCF復合纖維連續纏繞在卷筒上；

（d）1000股仿動物組織的G-LCF人造肌肉纖維組成的束狀結構；

（e）G-LCF松弛和收縮狀態的光學顯微鏡圖。

圖2 具有可逆電滲透高度對準的LCF和G-LCFs ?? 2022 The Authors

（a）與交叉偏振器成45°角時觀察到的LCF的POM圖像(上)和EG片的SEM圖像(下)；

（b）POM作用下G_0.3-LCF的收縮和舒張；

（c）LCF和G_0.3-LCF表面的SEM圖像；

（d）二維WAXS模式的方位掃描剖面的LCF和G-LCF的方向有序參數；

（e）高對準G_0.3-LCF在逐步加熱和冷卻循環中的可逆熱驅動；

（f）60°C單軸拉伸的循環應力-應變曲線。插圖說明了EG和LC液晶單元之間的π -π相互作用；

（g）由（f）計算出的楊氏模量和遲滯水平；

（h）通過光學顯微鏡觀察到G_0.3-LCF的松弛和舒張狀態，拉曼二維帶位移沿復合纖維的收縮應變隨溫度的變化；

（i）G_0.3-LCF的楊氏模量和動態模量隨溫度的變化；

（j）在收縮驅動(體積分數為0.2%，長徑比(AR)為1000)下，模擬EG血小板的可逆滲流以及電導率的理論和實驗值；

（k）G_0.3-LCF在50個循環的可逆驅動過程中電流的變化。

圖3 G-LCFs的快速光熱驅動 ? 2022 The Authors

（a）室溫下近紅外輻照(λ = 808 nm)下懸重為10g的100股G_0.3-LCF束的光敏反應及表面溫度變化；

（b）在恒定應力(1.5 MPa)下，不同近紅外強度對G_0.3-LCF單纖維的驅動應變和并發電流的影響；

（c）在恒定應力(1.5 MPa)下，不同束數的G_0.3-LCF對近紅外(800 mW cm^-2)輻照的收縮應變；

（d）與自然生物肌肉的比驅動應力、驅動應變、應變率、工作密度和功率密度比較圖；

（e）在收縮驅動狀態下，致動器纖維與之前基于LCE的致動器在拉伸強度和楊氏模量方面的比較。

圖4 基于人造肌肉的定制執行器演示 2022 The Authors

（a）1000股的G_0.3-LCF通過熱驅動舉起1公斤重的啞鈴；

（b）可逆驅動動物組織樣人造肌肉束(1000股)附著在人造人體關節之間，并伴隨相應的電導率變化；

（c）近紅外遙控下隨電流變化的人造手指操作；

（d）近紅外操縱驅動全碳人造蠕蟲仿生自行走（與活尺蠖的自然運動作比較）。

五、成果啟示

綜上所述，這種協同材料設計利用了分子水平的親近性，獲得了類似人類肌肉的驅動器絲和束，并實現了實際應用所需的驅動器參數的理想組合。值得注意的是，伴隨著石墨烯填料的可逆滲透不僅可以方便地監測致動行為，而且可以選擇性地加強在大幅收縮下的機械性能，以確保可靠的仿生驅動和運動。這種高能合成驅動模式的大自由度剪裁開辟了一個有趣的平臺，可以廣泛適用于智能服裝、可重構物聯網設備、可植入肌肉增強劑、類人機器人等方向。

原文詳情：https://www.nature.com/articles/s41565-022-01220-2

本文由霧起供稿。