人工肌肉纖維具有廣闊的應(yīng)用場(chǎng)景，涵蓋智能織物、人形機(jī)器人（假肢）、機(jī)械外骨骼以及增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等。如何低成本批量制備出高性能人工肌肉微纖維，是科學(xué)家一直以來(lái)追求的目標(biāo)。液晶彈性體（LCE）這種智能柔性材料因其具備大尺度可逆形變、響應(yīng)力學(xué)輸出強(qiáng)、形變可編程等突出優(yōu)點(diǎn)，被業(yè)界公認(rèn)為制備人工肌肉的理想材料。早在1975年，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主Pierre-Gilles de Gennes教授就預(yù)言L(fǎng)CE非常適合用于制造人工肌肉。在過(guò)去的二十年中，熔融拉伸法、微流體法、直寫(xiě)式3D打印法、靜電紡絲法等方法相繼被開(kāi)發(fā)出來(lái)用于制備纖維狀LCE。但這些方法都無(wú)法連續(xù)、高速制備高性能的LCE人工肌肉微纖維。
受到自然界中蜘蛛液晶紡絲原理的啟發(fā)，西湖大學(xué)智能高分子材料團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造出一種連續(xù)、高速紡絲制備LCE纖維的新方法，制造速度可達(dá)8400 m/h（已報(bào)道的最高制造速度為~5000 m/h）。相關(guān)研究工作以“Bioinspired Liquid Crystalline Spinning Enables Scalable Fabrication of High-Performing Fibrous Artificial Muscles”為題在Advanced Materials期刊發(fā)表。西湖大學(xué)智能高分子材料團(tuán)隊(duì)博士生侯文浩為論文第一作者，博士生王蛟為第二作者，呂久安研究員為通訊作者。
蜘蛛采用了一種不同尋常的液晶紡絲工藝，工藝借助了噴絲前蜘蛛體內(nèi)漏斗形導(dǎo)管的內(nèi)部牽伸變細(xì)與噴絲后通過(guò)外部機(jī)械拉伸進(jìn)行牽伸變細(xì)相結(jié)合的多級(jí)液晶纖維細(xì)化成型和取向技術(shù)（圖1a）。根據(jù)蜘蛛液晶紡絲多級(jí)成型和取向原理，研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了在溫和加工條件下連續(xù)、高速加工高性能LCE人工肌肉微纖維的新技術(shù)（圖1b），可實(shí)現(xiàn)高性能LCE微纖維人工肌肉的規(guī)?；a(chǎn)（圖1c）。所制備的人工肌肉微纖維（圖1e）展示出了各項(xiàng)優(yōu)勢(shì)，包含快速形變（驅(qū)動(dòng)應(yīng)變速率高達(dá)810 %/s，而已報(bào)道的最大應(yīng)變速率為350 %/s）、強(qiáng)力學(xué)輸出（驅(qū)動(dòng)應(yīng)力高達(dá)5.3 MPa，人類(lèi)骨骼肌的驅(qū)動(dòng)應(yīng)力為~ 0.3 MPa）、高功率密度（高達(dá)20440 W/kg，而已報(bào)道的最大功率密度為~400 W/kg）、高頻率響應(yīng)（50 Hz，常規(guī)LCE響應(yīng)頻率 <1 Hz）、高機(jī)械可靠性（250000次形變循環(huán)后無(wú)明顯疲勞）。
圖1. 基于蜘蛛液晶紡絲原理的人工肌肉微纖維加工新技術(shù)。a） 蜘蛛液晶紡絲原理。b）高速連續(xù)液晶紡絲示意圖。c）高速連續(xù)液晶紡絲設(shè)備以及紡絲過(guò)程的局部放大圖片。d）高速連續(xù)紡絲過(guò)程中液晶取向度的變化曲線(xiàn)。e）利用高速連續(xù)紡絲方法制備的LCE人工肌肉微纖維的掃描電鏡照片。
如圖2a所示，當(dāng)LCE微纖維（直徑33 μm）受到NIR光（1000 mW/cm2）照射時(shí)，其沿著軸向收縮，在0.25 s內(nèi)長(zhǎng)度變化為37%，向上拉動(dòng)了比自身重2000倍的超重載荷。通過(guò)改變光照強(qiáng)度，可以調(diào)節(jié)微纖維的致動(dòng)應(yīng)變和應(yīng)力，最大應(yīng)力可超過(guò)3.8 MPa（圖2b），比人體骨骼肌的致動(dòng)應(yīng)力（0.35 MPa）至少高出一個(gè)數(shù)量級(jí)。直徑約為3 μm的微纖維可在0.1 s內(nèi)產(chǎn)生高達(dá)5.3 MPa的驅(qū)動(dòng)應(yīng)力。直徑為33 μm的LCE微纖維可以在10 Hz的頻率下可實(shí)現(xiàn)40 %的形變（圖2c），驅(qū)動(dòng)應(yīng)變速率高達(dá)810 %/s（圖3），功率密度最高可達(dá)20440 W/kg。人工肌肉在外部負(fù)載下的長(zhǎng)期驅(qū)動(dòng)耐久性是實(shí)際工程應(yīng)用的關(guān)鍵性能。LCE微纖維（直徑82 μm）可以以8 Hz的頻率進(jìn)行長(zhǎng)期周期性的升降負(fù)載銅塊（0.8 g，施加拉力約1.5 MPa），且在25萬(wàn)次循環(huán)之后，無(wú)明顯的材料疲勞現(xiàn)象（圖2d）。使用數(shù)控?cái)夭ㄆ鱽?lái)精確控制NIR照明的開(kāi)關(guān)頻率，LCE微纖維可以實(shí)現(xiàn)50 Hz的高響應(yīng)頻率（圖2e）。在不借助光斬波器時(shí)，LCE微纖維依靠自身的光機(jī)械反饋回路可以實(shí)現(xiàn)持續(xù)的自動(dòng)循環(huán)運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)頻率可達(dá)7.8 Hz（圖2f）。
圖2. LCE微纖維優(yōu)異的驅(qū)動(dòng)性能。a）當(dāng)用近紅外光照射LCE微纖維時(shí)，纖維沿縱向收縮向上拉動(dòng)載荷。b）通過(guò)改變光強(qiáng)度，可以調(diào)節(jié)LCE微纖維的驅(qū)動(dòng)應(yīng)變和驅(qū)動(dòng)應(yīng)力。c）直徑為33μm的LCE超細(xì)纖維在10Hz頻率下可快速上下拉動(dòng)重物（0.38g，比超細(xì)纖維重12667倍），驅(qū)動(dòng)應(yīng)變化達(dá)40%。d）在25萬(wàn)次循環(huán)之后，LCE微纖維可沒(méi)有產(chǎn)生明顯的材料疲勞現(xiàn)象。e）LCE微纖維在不同頻率的NIR光照射下的驅(qū)動(dòng)性能。f）LCE微纖維可以將恒定的NIR光照射激轉(zhuǎn)換成連續(xù)的自振蕩運(yùn)動(dòng)。
圖3. LCE微纖維以10Hz頻率快速上下提拉是其自身重量12667倍的重物。
基于微纖維優(yōu)良的驅(qū)動(dòng)性能，微纖維能夠適用于多樣化的仿生驅(qū)動(dòng)應(yīng)用場(chǎng)景。利用微纖維束制備人工咬肌，能夠模擬咀嚼的動(dòng)作，將食物咬斷。采用微纖維束模擬人工肱二頭肌收縮功能，可以實(shí)現(xiàn)小臂上抬的動(dòng)作，將重物舉起。同樣，由微纖維束制備的人工股四頭肌可以實(shí)現(xiàn)模擬踢腿的動(dòng)作（圖4）。此外，LCE微纖維還適用于小型機(jī)械裝置的驅(qū)動(dòng)。圖5展示了微纖維驅(qū)動(dòng)的光控微鑷，它的尺寸只有3.2毫米左右，結(jié)構(gòu)緊湊并完全由近紅外光驅(qū)動(dòng)。光控微鑷可在0.48秒內(nèi)實(shí)現(xiàn)快速閉合或打開(kāi)。通過(guò)LCE微纖維的驅(qū)動(dòng)的仿生翅膀，運(yùn)動(dòng)頻率可達(dá)10赫茲，接近自然界中蜻蜓翅膀的運(yùn)動(dòng)頻率（8 - 15 Hz）（圖6）。
圖4. LCE微纖維作為人工咬肌、人工肱二頭肌和人工股四頭肌驅(qū)動(dòng)多種仿生運(yùn)動(dòng)。
圖5. LCE微纖維驅(qū)動(dòng)的微型光控鑷子可在0.48s內(nèi)完成閉合。
圖6. LCE微纖維驅(qū)動(dòng)的仿生翅膀以10Hz頻率快速扇動(dòng)。
總結(jié)而言，這種可批量制備高性能人工肌肉微纖維的新技術(shù)將有力推動(dòng)小巧、強(qiáng)勁、靈活的軟機(jī)器人、可穿戴設(shè)備、微型驅(qū)動(dòng)裝置、仿生機(jī)器人等高新前沿領(lǐng)域的發(fā)展。
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