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骨骼肌是软机器人技术的参考模型，具有较强的灵活性和令人难以置信的机械强度。然而，现有的致动器无法实现驱动参数（驱动模式、工作能力、机械强度和损伤修复）的最佳组合，无法与生物组织相媲美。
2024年12月10日，四川大学张新星、西北工业大学苗应刚共同通讯在 Advanced Materials 在线发表题为 “Self-Healing Yet Strong Actuator Materials with Muscle-Like Diastole and Contraction via Multilevel Relaxations” 的研究论文。该研究提出了一种通过多级松弛（α/β/γ/δ-relaxation）调制的仿生结构设计策略，通过共析凝胶中树突状多酚修饰的纳米组装体的定向排列，制备具有肌肉状舒张和收缩能力的机械坚固且可愈合的致动器材料。
通过超分子相互作用组装的各向异性分层微纳米结构模拟肌动蛋白丝和肌球蛋白在肌肉中的相对滑移，通过快速热α弛豫和膨胀确保双稳态驱动。此外，在可重构界面处动力学活跃的次级β/γ/δ-弛豫可以改善固定取向聚合物链有限的自愈能力。制备的人造肌肉表现出高输出驱动、坚固的机械性能（抗拉强度为33.5MPa）和所需的功能、机械自愈效率（89.7%），超过了生命系统中的自然肌肉。仿生微纳设计策略实现了自下而上的协同松弛调控，整合自然肌肉的全面性能，为下一代智能机器人的发展奠定了基础。
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具有机械坚固性的人造肌肉材料在刺激反应下的收缩和舒张动作，对于软体机器人在复杂变形场景中稳定执行任务至关重要。尽管如此，结构成分之间缺乏有机整合限制了人造材料自下而上的协同调节。将天然肌肉的复杂行为集成到一个舒张收缩运动和机械坚固性相结合的系统中仍是一个巨大的挑战。迄今为止，研究人员已经利用了形状记忆聚合物、水凝胶、介电弹性体和液晶弹性体开发人造肌肉，展现出其在智能执行器、软体机器人、假肢等方面的应用潜力。相关学者投入了大量精力来制造加捻纺碳纳米管纱线的电化学致动器，其螺旋拓扑结构使扭转解捻能够模拟肌肉舒张。也有学者采用双晶片层次结构设计，基于固有特性（热膨胀、亲水性、渗透性等）实现人工肌肉变形， 或通过改变拓扑结构生类似肌肉的收缩。尽管取得了这些进步，但现有人造肌肉的运动模式单调，而且容易受到不可逆的损伤，在复杂的实际变形情况下产生不可靠的驱动，无法与其生物对应物相匹配。![]()
图1 仿生致动器材料的结构和设计示意图（摘自Advanced Materials ）天然组织的柔性驱动和机械稳健性归因于其与有机蛋白相关的各向异性分层结构。骨骼肌能够响应神经信号，肌球蛋白和肌动蛋白丝通过蛋白质构建的交叉桥相对滑动诱导舒张或收缩。同时，具有超分子键的定向弹性胶原原纤维束赋予肌肉强大的机械性能和通过胶原蛋白重塑的自愈能力。作者假设，如果这种分层排列的结构可以通过高度激活的超分子相互作用进行组装，就有可能获得一个坚固的肌肉状致动器，且无需考虑机械性能和驱动能力之间的权衡。
该研究提出了一种机械性能好且可愈合的致动器，其可以模拟肌肉收缩和舒张，具有通过超分子相互作用组装的定向可滑动网络。将树枝状多酚改性铜纳米球负载在具有多动态键位点的剥离二硫化钨纳米片上，在肌肉中充当肌球蛋白，而共析凝胶中的聚合物链模拟肌动蛋白丝。所制备的人工肌肉材料（AMM）高温下通过拓扑网络的热膨胀和排列链的α弛豫进行舒张或收缩驱动，并伴有分级结构中的滑移。有趣的是，可逆可重构的超分子界面为AMM提供了具有低活化能屏障的多级β/γ/δ弛豫，即使在低熵状态下定向层次结构冻结后也具备自愈性能。该研究设计的仿生策略为类似于天然肌肉的AMM提供了强大的驱动和机械性能，为高性能软机器人的设计提供了参考。
参考消息：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202413194
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