人造肌肉材料一直以來在仿生設(shè)計和柔性機器人方面都有著巨大的應(yīng)用潛力。與傳統(tǒng)材料相比，聚合物基的人造肌肉材料擁有低密度、高彈性、易成型、低成本等優(yōu)勢。通過化學結(jié)構(gòu)以及聚合物構(gòu)型的設(shè)計，可以實現(xiàn)大變形、自我修復(fù)、多重響應(yīng)等綜合性能。而在所有聚合物基人造肌肉材料中，基于形狀記憶性能（SME）的形狀記憶聚合物（SMP）有著獨一無二的研究價值。因為其對于外界刺激產(chǎn)生的形變與刺激撤去之后的恢復(fù)行為對應(yīng)著肌肉的收縮與釋放過程。近年來，大部分有關(guān)形狀記憶聚合物的研究是以熱作為刺激源，但無論是熱刺激或電熱刺激都會帶來包括直接接觸、傳熱不均等問題，從而影響驅(qū)動可控性。另一方面，在各類性轉(zhuǎn)記憶聚合物中，具有可逆循環(huán)特性的雙向與準雙向性轉(zhuǎn)記憶聚合物無疑更有前途，如半結(jié)晶聚合物（SCP）和液晶彈性體（LCE）。而傳統(tǒng)的半結(jié)晶聚合物雖然具有較好的延展性與自修復(fù)性能，但是其驅(qū)動響應(yīng)性與可控性遠低于液晶彈性體；液晶彈性體雖然展現(xiàn)出良好的可控運動能力，但是較低的形變能力與脆性限制了其應(yīng)用環(huán)境。
圖1. 新型人造肌肉材料的特殊縫合結(jié)構(gòu)與多重響應(yīng)示意圖。
針對上述聚合物基人造肌肉材料的困境，
上海交通大學劉河洲研究員和
陳玉潔副研究員團隊設(shè)計了一種
基于偶氮苯基團之間π-π堆疊的新型多重響應(yīng)人造肌肉材料。復(fù)合體系以含有偶氮苯官能團的長鏈線性聚氨酯為基礎(chǔ)，類似針線穿過具有偶氮苯的液晶彈性體基體，形成了具有特殊縫合結(jié)構(gòu)的聚合物基形狀記憶材料（圖1a）。同時引入長徑比為7：1的金納米棒，利用偶氮苯官能團對于365nm波段的異構(gòu)作用與金納米顆粒800-900nm對于波段的光熱轉(zhuǎn)化效應(yīng)，構(gòu)成了
室溫預(yù)應(yīng)力形變-紫外光向光彎曲-紅外光恢復(fù)的多重響應(yīng)可逆循環(huán)過程（圖1b）。
圖2.新型人造肌肉材料的驅(qū)動性能與可擦寫性能。
由于此類特殊結(jié)構(gòu)的作用，該人造肌肉材料很好地結(jié)合了半結(jié)晶聚合物與液晶彈性體的優(yōu)點，具有
超強的人工肌肉驅(qū)動性能（可以提拉自身質(zhì)量2000倍以上的重物，能量密度與功率密度分別為人類骨骼肌的46.5倍和26.6倍）以及可編程性能（274.84%的斷裂伸長率與1秒內(nèi)100%的形狀恢復(fù)率）。此外，該材料還表現(xiàn)出
基于表面自修復(fù)性能的可擦寫行為，在破壞表面形成圖案后，樣品可以在熱條件下實現(xiàn)1分鐘之內(nèi)的表面自修復(fù)（圖2）。
經(jīng)過測試，該人造肌肉材料對于365 nm波段的紫外光與800-900 nm的近紅外光表現(xiàn)出出色的響應(yīng)性能。當樣品單邊被固定時，彎曲角度從0°增加至180°以及從180°恢復(fù)至0°的過程均在30秒內(nèi)實現(xiàn)。當樣品兩端被固定時，紫外光引發(fā)的宏觀蜷曲收縮與近紅外光引發(fā)的光熱恢復(fù)均可拖動自身質(zhì)量300倍的負載運動。此外，該材料表現(xiàn)出類似人類手臂行為的向光負載彎曲，可以攜帶自身質(zhì)量8.3倍的負載彎曲60°，遠超于此前同類材料的報道（圖3）。
圖4.新型人造肌肉材料的數(shù)值模擬結(jié)果。
在此基礎(chǔ)上采用有限元方法，建立了COMSOL multiphysics模型，在對實驗結(jié)果進行數(shù)學驗證的同時為相關(guān)光響應(yīng)材料的驅(qū)動行為提供了數(shù)值理論與研究模型（圖4）。
相關(guān)論文發(fā)表在
Chemistry of Materials 上，上海交通大學博士研究生
陳馳為文章的第一作者，
陳玉潔副研究員和
劉河洲研究員為通訊作者。
原文鏈接：
https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.0c04170
來源：X-MOL資訊
