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  在人體中，骨骼肌（Muscle）附著在骨骼上，骨骼肌由成百上千的捆綁在一起的肌纖維組成，肌纖維（Muscle bundle）沿縱向呈條紋結(jié)構(gòu)，肌纖維的收縮單位是由肌絲組成的肌原纖維，肌絲包括肌球蛋白和肌動(dòng)蛋白絲，肌原纖維的基本滑動(dòng)單位稱為肌小節(jié)（Sarcomere）。當(dāng)與Z線相連的細(xì)絲在鈣離子刺激下肌球蛋白和肌動(dòng)蛋白發(fā)生相互作用產(chǎn)生移動(dòng)，肌節(jié)收縮（圖1）。使用聚合物材料來(lái)模仿肌絲的條紋結(jié)構(gòu)及肌小節(jié)的伸縮過(guò)程受到廣泛關(guān)注，而構(gòu)筑與肌纖維結(jié)構(gòu)相媲美的人工肌肉仍具有很大挑戰(zhàn)。

圖1骨骼肌的橫紋肌結(jié)構(gòu)和三嵌段氫鍵復(fù)合物組裝的層狀結(jié)構(gòu)。

  近期，東華大學(xué)先進(jìn)低維材料中心楊曙光教授團(tuán)隊(duì)有效借助嵌段共聚物的微相分離和中間鏈段的氫鍵復(fù)合作用構(gòu)筑人工肌肉驅(qū)動(dòng)器（Lamellar structure）。使用兩種三嵌段聚合物“聚苯乙烯-b-聚丙烯酸-b-聚苯乙烯（SAS）和聚苯乙烯-b-聚環(huán)氧乙烷-b-聚苯乙烯（SES）”組裝形成了剛性層S和氫鍵復(fù)合層A/E交替的層狀結(jié)構(gòu)（Layer structure），其中聚苯乙烯形成的剛性層S模仿肌小節(jié)Z線，氫鍵復(fù)合層A/E模仿肌小節(jié)肌球蛋白和肌動(dòng)蛋白的運(yùn)動(dòng)，利用氫離子濃度模仿鈣離子濃度作為伸縮刺激條件（圖1）。SAS/SES 驅(qū)動(dòng)器可根據(jù)環(huán)境 pH 值的變化驅(qū)動(dòng)做功（圖2a）：pH升高時(shí)氫鍵解離，驅(qū)動(dòng)器伸長(zhǎng)；pH降低時(shí)氫鍵復(fù)合，驅(qū)動(dòng)器收縮（圖2b）。該驅(qū)動(dòng)器表現(xiàn)出穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)性能（圖2c）。此外，驅(qū)動(dòng)器呈現(xiàn)出一種“捕獲狀態(tài)”（catch state），具有軟體動(dòng)物肌肉的特性（圖2d）；該驅(qū)動(dòng)器的收縮率和工作密度分別為 50% 和 90 kJ m^-3，均高于骨骼肌纖維（圖3），該研究為開發(fā)具有出色性能的人造聚合物驅(qū)動(dòng)器提供了一種仿生方法。該工作以“Skeletal Muscle Fibers Inspired Polymeric Actuator by Assembly of Triblock Polymers”為題發(fā)表在《Advanced Science》上（Adv. Sci. 2022, 2105764），文章第一作者是東華大學(xué)博士生王偉杰，該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金委和上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)的支持。

圖2 驅(qū)動(dòng)器做功原理及穩(wěn)定性

圖3 驅(qū)動(dòng)器做功表現(xiàn)

  原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/advs.202105764