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武漢大學常春雨課題組 AFM:可水合編程形狀記憶的拮抗運動人工肌肉
2024-03-21  來源:高分子科技

  人體內的骨骼肌自主收縮,為人們的日常生活提供了多樣化的運動模式。大多數的骨骼肌是成對出現的,并組裝成拮抗肌肉對,如手臂上的二頭肌和三頭肌。研究人員一直致力于研發出能夠媲美天然肌肉的人工肌肉,以復制與骨骼肌相似的功能。目前已經開發了多種材料和類型的人工肌肉,包括氣動/液壓驅動器,介電彈性體,液晶彈性體,水凝膠和形狀記憶聚合物材料等。其中形狀記憶聚合物材料能夠通過形狀編程而在暫時形狀和永久形狀之間實現形狀轉換,因而受到極大的關注。骨骼肌只能自發收縮,其伸長需要外力,例如拮抗肌產生的收縮力。在身體手臂的運動中,當前臂上舉時,二頭肌作為主動肌收縮,三頭肌作為拮抗肌需要放松。拮抗肌的放松意味著模量的降低,從而減少主動肌收縮時消耗額外的能量。然而傳統形狀記憶聚合物在形狀變成和形狀回復兩種狀態下的模量很接近,因此無法實現類似拮抗肌肉的運動。


1. 拮抗HP-SMP纖維對的仿生設計


  近日,武漢大學常春雨教授課題組從人體手臂肌肉的拮抗運動獲得了靈感,提出了一種簡單而有效的策略用于可水合編程實現拮抗運動的形狀記憶人工肌肉對,這種肌肉對無需外力的參與即可實現大驅動行程的可逆運動。水合編程形狀記憶纖維(HP-SMP fiber)通過在溶脹狀態下牽伸干燥得到暫時形狀,而在加熱后可以實現纖維的收縮即永久形狀的恢復。如圖1所示將水合纖維組裝成拮抗肌肉對,拮抗肌在水合后,通過主動肌的收縮可以帶動整個手臂的運動;而主動肌的拉伸是通過拮抗肌的收縮實現的,因此實現了形狀記憶材料的可逆運動。這項工作代表了在仿生設施中使用SMP開發可逆、連續機器人系統的重要一步。


  HP-SMP纖維通過海鞘纖維素納米晶體TCNC、聚乙烯醇PVA和聚丙烯酰胺/丙烯酸復合水凝膠在牽伸干燥后得到。圖2顯示出HP-SMP纖維在受熱收縮過程中表面產生了周期性褶皺。而通過SAXS表征可以看出HP-SMP纖維在收縮過程中的取向方向逐漸由軸向轉變為徑向方向。這與纖維中TCNC與網絡間的相互作用有關。TCNC在收縮過程中的網絡中的重定向行為導致了褶皺的產生。 


2. HP-SMP纖維收縮過程的表征 


  圖3顯示了HP-SMP纖維的水合形狀編程和恢復過程。纖維可以在3秒內收縮60%應變,在負重下的最大做功密度達到751 J kg-1。值得注意的是,HP-SMP纖維可以在恒力下實現水合編程和驅動的循環,這是因為水合纖維具有較低的模量,因此被恒力牽伸。而在加熱收縮過程的模量較高,因此可以克服外力收縮,實現循環驅動。 


3. HP-SMP纖維的應變和應力控制形狀編程對驅動行為的影響 


  將兩根HP-SMP纖維串聯成肌肉對,可以實現模擬骨骼肌的拮抗運動。如圖4所示,主動肌能夠牽伸水合后的拮抗肌,而拮抗肌在干燥后又可以轉變成主動肌。因此HP-SMP纖維在組裝成拮抗肌肉對后可以實現無外力參與下的可逆運動。 


4. HP-SMP纖維的拮抗作用 


  將HP-SMP纖維組裝在人工手臂上能夠模擬二頭肌和三頭肌之間的拮抗運動,如圖4所示。HP-SMP纖維分別作為二頭肌和三頭肌被組裝在人工手臂上,當三頭肌被水合后,二頭肌收縮帶動手臂的彎曲運動,同時牽伸三頭肌。而當二頭肌水合后可以被三頭肌的收縮牽伸,實現手臂的伸直。 


5. HP-SMP纖維人工手臂


  簡而言之,該研究采用了水合可編程形狀記憶纖維來模擬骨骼肌的可逆拮抗運動。利用HP-SMP纖維水合狀態和驅動狀態之間較大的模量差距,可以通過水化編程和熱驅動實現人工手臂的可控運動。這項工作為使用形狀記憶聚合物作為人造肌肉的軟機器人和仿生機器的發展鋪平了新的道路。


  該工作以“Hydration Programmable, Shape Memorable Artificial Muscles for Antagonistic Movements”為題,發表在《Advanced Functional Materials》上。武漢大學化學與分子科學學院博士研究生崔言德為第一作者,武漢大學化學與分子科學學院常春雨教授和資源與環境科學學院陳朝吉教授為通訊作者,武漢大學博士后徐超、研究生林杰涵、翟艷鐸為論文共同作者。該研究得到了國家自然科學基金(52073217)的資助。


  原文鏈接https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202401005


  課題組網頁:https://www.x-mol.com/groups/Chang_cy 

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(責任編輯:xu)
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