清華大學團隊構築仿生人工心肌,能舉起4000倍自重的重物


肌肉,是一種具有驚人效能的天然“軟執行器”。而人體的骨骼肌、平滑肌和心肌可以表現出優異的刺激響應特性,並且能夠進行各種變形以實現特定的生物功能。例如,肱二頭肌可以通過收縮舉起重物,血管可以通過蠕動運輸血液,心臟可以通過收縮扭轉泵血。

值得關注的是,液晶彈性體(Liquid Crystal Elastomer,LCE)能夠以較大的可逆變形對外界刺激作出反應,在自然肌肉製造模擬人工肌肉方面具有顯著的優勢。迄今為止,LCE 在模擬骨骼、平滑肌的變形及相關功能方面已經取得一定進展。

然而,由於現有的製造策略限制,利用 LCE 模擬心肌運動進一步實現由心肌結構決定的泵輔功能仍然是一個挑戰。

受人類心臟內心肌纖維在特定空間排列和協同驅動的啟發,清華大學團隊提出了一種簡單而通用的 LCE 纖維構建人工心肌的方法。從而構造出人工心肌,並能同時進行收縮和扭轉運動實現心臟泵血功能,其他智慧材料執行具有的挑戰性任務時,這種策略也適應。

圖|基於 LCE 纖維的人工心肌設計(來源:Advanced Materials Technologies)

9 月 23 日,相關論文以《利用液晶彈性體纖維仿生構築人工心肌》(Bioinspired Construction of Artificial Cardiac Muscles Based on Liquid Crystal Elastomer Fibers)為題發表在Advanced Materials Technologies上[1]。

圖|相關論文(來源:Advanced Materials Technologies)

該論文由清華大學化學系博士王雲鵬擔任第一作者,副教授楊忠強擔任通訊作者。

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圖|楊忠強(來源:清華大學官網)

目前,用人工肌肉材料做刺激反應的實驗效果,已經得到業內人士的好評。液晶彈性體作為一種重要的刺激響應材料,在人工肌肉開發層面受到越來越多的關注,這主要歸因於外部刺激帶來的效應。

譬如,中胚層排列變化導致的顯著且可逆的單軸變形,像熱、光和電。在人工肌肉中,液晶彈性體材料的驅動是基於微結構單元單疇排列的,如物理等誘導的拉伸、表面感應或外場感應。通過使用肌肉等主動結構單元驅動骨頭和結締結構單元執行多功能任務。

然而,利用晶彈性體纖維模擬心臟,同時收縮和扭轉以實現結構決定的跳動功能目前還尚未實現。該研究製備了 LCE 纖維,這不僅擴充套件了 LCE 作為人工肌肉的應用,而且為構造具有複雜變形的人工肌肉提供了一種通用的策略,以便實現多功能和高要求的任務。

用兩步交聯法制備晶彈性體纖維

該團隊採用“兩步交聯”的方法,在自制的儀器上進行了晶彈性體纖維的製備。在一個典型的實驗中,將第一步合成的部分交聯多疇彈性纖維拉伸成單疇彈性纖維,第二步在紫外線照射的條件下固定其單軸排列。

丙烯酸酯和硫醇基團之間的反應形成了部分交聯網路,然後通過噴嘴幹紡成纖維將得到的多疇不透明 LCE 纖維,按照其初始長度的兩倍進行拉伸,以形成透明的單疇狀態。

在紫外光照射下,過量的丙烯酸酯基團之間發生自由基聚合,形成第二交聯網路,進一步獲得單軸排列。


圖|LCE 纖維的結構與熱驅動(來源:Advanced Materials Technologies)

這種策略可以很容易地與工業幹紡儀器相結合,製造無限長的 LCE 纖維。當觀察交叉偏振器之間時,單軸排列的 LCE 光纖的雙折射明顯。

在交叉偏振器顯微鏡下,LCE 纖維在纖維軸相對偏振器 45° 時最亮,在纖維軸平行於偏振器時完全變暗,表明 LCE 纖維內部排列良好。

晶彈性體纖維可舉約自重 4000 倍的重量

為了進一步確定 LCE 纖維的熱驅動行為,該團隊測量了其不同溫度下的 LCE 長度,具體闡述了 LCE 纖維在加熱時能自發可逆收縮,在冷卻時可以自發可逆膨脹的原理。這種熱驅動變形歸因於 LCE 網路內的溫度誘導相變,實驗結果與文獻理論是一致的。

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隨著溫度的升高,LCE 纖維在 60℃ 左右開始收縮,在 120℃ 左右對應的長度減小到初始長度的 60 %。此外,LCE 光纖的驅動並不侷限於未載入狀態,LCE 纖維可以舉起 5.7g 的“熊貓”重量,該重量大約是 LCE 纖維自重的 4000 倍,並且通過調節溫度來控制舉起高度。


圖|由人工心肌驅動的仿生液體迴圈(來源:Advanced Materials Technologies)

結果表明,具有可逆性熱驅動的單軸排列 LCE 纖維表現了出色的舉重能力。拿著排列良好的 LCE 纖維,該團隊接下來評估了 LCE 纖維的效能。從密度、模量、驅動應變、驅動應力、工作密度和比功率 6 個度量指標,與人類肌肉纖維進行比較。

由 LCE 纖維組成的人工心肌通過模擬心肌纖維的構型實現搏動。在人類心臟中,由圓形和螺旋狀組成的心肌纖維同時進行收縮和扭轉運動。

人工心肌可廣泛應用於航空航天和醫療保健等領域

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值得一提的是,LCE 的驅動效能還可以進一步調整。例如,可以將驅動溫度降低到體溫 37℃,通過將柔性聚合物鏈引入 LCE 網路,可以通過構建相互滲透的雙網路來增強其力學效能,這為人工心臟肌肉在體溫下的應用提供了潛在的應用前景。

該團隊構建的人工心肌可以實現仿生變形和功能。通過“兩步交聯法”製得 LCE 纖維,其力學效能和工作效能與人體肌肉纖維相當。

人工心肌在複雜的三維結構中表現出優異的變形,這種簡單和通用的策略可以進一步擴充套件到不同規模的不同材料,允許在大範圍內構建具有多用途材料特性的人工肌肉,並擴大其作為軟機器人在電子、航空航天和醫療保健領域的應用。

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參考:

1. Zhongqiang Yang et al.Adv. Mater. Technol.(2021)https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/admt.202100934

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