人可以跳機械舞，但機器人卻不能跳芭蕾舞。一直以來，研發靈活精細且具有類人功能的機械手是人們追求的目標。然而，越靈活精細的結構，越復雜的功能終將導致假肢的尺寸、重量遠超正常人手。因此，簡化其動力布局及反饋電路系統成為一種必然趨勢。相比于基于杠桿、鉸鏈和齒輪等動力系統的傳統機械手，基于肌腱驅動的人體生物學假肢則更簡潔，更靈活也更具有合適的尺寸。
目前，商用的人體生物學假肢有Okada機械手，Utah/MIT機械手以及DLR機械手。這些機械手的仿真肌腱主要由尼龍、橡膠、PET材料等制成。而這些傳統材料的韌性較差（韌性是指材料在斷裂前每單位體積所吸收的能量），不足以應付假肢長期且多次重復的使用。另一方面，上述材料均不導電，不能將反饋電路與動力系統集成為一個簡化的系統進而實現設計尺寸的縮小。因此，開發同時具有高韌性和高電導率的肌腱材料則成為關鍵。
近日，新加坡南洋理工大學陳曉東教授研究團隊、浙江大學李德昌教授和新加坡A*STAR程淵高級研究員研究團隊合作將高韌性材料蜘蛛絲改良，引入PEDOT:PSS@SWCNT，使蜘蛛絲同時具有高韌性和高電導率，使其韌性值達到420 MJ/m3，電導率達到1077 S/cm，性能超過目前的導電材料（如圖1所示）。
圖1. (a)不同導電材料的導電率以及韌性的比較，粉色五角星代表本工作；(b)蜘蛛絲實物圖；(c)(d)導電蜘蛛絲的電鏡圖以及橫截面圖；(e)導電蜘蛛絲的應力應變曲線；(f)(g)導電蜘蛛絲的電導率以及韌性隨單壁碳納米管含量不同的變化曲線。
研究人員將引入了單壁碳納米管的蜘蛛絲制備成了“電肌腱”，該電肌腱同時具有高電導率和高韌性，與壓力傳感器一起組裝到具有人體生物學結構的機械手上，并測試其性能。結果顯示該機械手的單根肌腱能夠承受最大約7.6 Kg的負載，同時該肌腱能夠重復拉伸/彎曲超過4萬次而其電導率基本保持不變（如圖2a和2b）。使用該電肌腱機械手的綜合性能遠超以鋼絲，尼龍，碳纖維、橡膠等材料為肌腱的機械手的性能。最后研究人員考察了基于導電蛛絲和非導電尼龍仿生假肢抓取物體的過程。通過對比發現，因為集成了壓力反饋系統，基于電肌腱的機械手能夠很好的抓取氣球。而基于尼龍的機械手卻難以抓取（如圖2c和2b）。該工作對研發靈活且具有多功能的假肢提供了新的思路。
圖2. (a)基于不同材料機械手的拉伸彎曲次數比較；(b)基于不同材料機械手負載比較；(c)(d)基于尼龍以及導電蜘蛛絲的機械手抓取氣球的過程比較。
相關工作以題目為 A supertough electro-tendon based on spider silk composites 發表在Nature Communications (Nat. Commun. 2020, 11, 1332)上，并申請專利一項：Singapore Patent Application No. 10201807020R。此項研究工作還得到了新加坡A*STAR的張勇偉教授和浙江大學季葆華教授的大力協助。
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