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  人體骨骼肌具有優異的機械訓練自增強、應變硬化、智能驅動等綜合特征，使得肌肉能夠不斷自我強化抵抗外界作用力，并能根據神經系統的電流信號對外做功來改造環境。受之啟發的人工肌肉功能材料在醫療器械、機器人、智能驅動等領域具有重要的應用前景。但是，要把人體骨骼肌的這些優異特征全部集成到單一合成材料上是一個巨大的挑戰。

圖1 人體骨骼肌基本特征

  近日，華南理工大學劉偉峰和廣東工業大學邱學青教授團隊使用極其常見的三元乙丙橡膠（EPDM）和極其普通的工業木質素（一般人都不會注意它）為原料，利用木質素協同配位增強的功能，結合機械訓練方法，首次構建出同時具備機械訓練自增強、應變硬化和智能驅動等綜合特征的人工肌肉功能材料。

圖2 人工肌肉制備和變形機理示意圖

  首先向EPDM基體內添加具有配位能力的木質素作為綠色增強劑，同時在木質素與EPDM相界面引入鋅離子配位鍵，再通過反復的機械訓練，促使配位交聯網絡重排，構建出具有局部鏈段穩定取向的EPDM復合材料。重構的配位交聯網絡不但能集中斷裂耗散能量，而且能更有效促進鏈段取向結晶，使材料呈現機械訓練自增強和應變硬化的特點。并且，EPDM特殊的鏈段微結構使復合材料能在外界熱/電刺激下往復對外做功，執行應變可超過40%，執行應力高達1.5 MPa（人體骨骼肌的執行應變40%，執行應力0.35 MPa），能提起自身重量10000倍的重物，具有出色的對外做功能力。

圖3 人工肌肉智能驅動性能

  這項工作的意義在于：

  1、首次提出動態配位鍵與機械訓練結合的策略，通過機械訓練過程對配位鍵反復斷裂重構，最終實現橡膠鏈段的局部穩定取向； 

  2、利用木質素自身豐富的含氧極性官能團優勢，提出木質素協同配位增強的策略，再次證明工業木質素這一廢棄生物質資源可以構建功能性綠色高分子復合材料。

  相關成果以“Biomimetic High Performance Artificial Muscle Built on Sacrificial Coordination Network and Mechanical Training Process”為題，近期發表在 Nature Communications上。論文第一作者為華南理工大學化學化工學院博士生涂志凱，華南理工大學劉偉峰和廣東工業大學邱學青為論文共同通訊作者，華南理工大學機械學院博士后王晉為論文共同作者。成果得到國家自然科學基金項目（22038004, 22078116, 21706082）、廣東省基金項目（2020B1111380002, 2019A1515012154, 2018B030311052）等資助。

  原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-23204-x

  近年來，作者團隊將木質素協同配位增強的策略應用到橡膠彈性體補強，制備了一系列高性能的木質素改性橡膠復合材料，可實現木質素對傳統炭黑填料一半以上的替代，甚至可實現木質素替代傳統塑料相、制備出以木質素為塑料相的熱塑性彈性體復合材料，還可以實現木質素增強傳統橡膠的功能化和智能化，相關成果獲得了系列授權發明專利，歡迎交流合作。

1. Biomimetic High Performance Artificial Muscle Built on Sacrificial Coordination Network and Mechanical Training Process. Nature Communication 2021, 12, 2916.

https://www.nature.com/articles/s41467-021-23204-x

2. High Performance Thermoplastic Elastomers with Biomass Lignin as Plastic Phase: ACS Sustainable Chem. Eng. 2019, 7, 7, 6550–6560. 

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acssuschemeng.8b04936

3. Effects of sacrificial coordination bonds on the mechanical performance of lignin-based thermoplastic elastomer composites: International Journal of Biological Macromolecules 2021, 66,  

https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2021.04.188

4. Lignin reinforced NBR/PVC composites via metal coordination interactions. Ind. Eng. Chem. Res. 2019, 58(51), 23114-23123. 

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.iecr.9b05198 

5. Lignin-reinforced ethylene-propylene-diene copolymer elastomer via hydrogen bonding interactions. Macromol. Mater. Eng. 2019, 304(4), 1800689.

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/mame.201800689 

6. Bioinspired engineering towards tailoring advanced lignin/rubber elastomers. Polymers, 2018, 10(9), 1033.  

https://www.mdpi.com/2073-4360/10/9/1033