随着智能科技的多元化发展，纤维型电驱动人工肌肉（EAMFs）以其卓越的机械性能、集成灵活性和功能扩展性，正逐步成为智能机器人、可穿戴设备等领域的新型动力源。近期，《国家科学评论》（National Science Review，NSR）在线发表了由天津大学穆九柯教授团队与得克萨斯大学达拉斯分校Ray H. Baughman院士团队合作的综述论文“Emerging innovations in electrically powered artificial muscle fibers”。 该论文从纤维形态材料的特性出发，系统论述了电热、电化学以及介电等人工肌肉的运行机制，揭示了不同驱动机制间肌肉性能差异的底层逻辑，并依此展望了纤维人工肌肉走向规模化应用的挑战和机遇。
纤维形态：智能材料新篇章
近年来，纤维形态在智能材料和功能器件领域逐渐展现出独特优势。其中，纤维的分子高度取向性使其在轴向上具有显著的机械强度和韧性，为高性能应用奠定了材料基础；以湿法纺丝、静电纺丝及化学气相沉积为代表的跨尺度纤维制造工艺，为纤维器件的工程化加工提供了工艺保障；多维编织工艺则为功能纤维的高自由度集成和多功能设计提供了技术支撑。尤其在人工肌肉领域，纤维的旋转、伸缩等多重致动形式，使其能够模拟生物肌肉的运动行为，展现出卓越的高仿生性（图1）。
三大驱动机制，各具特色
电热驱动：电热驱动人工肌肉通过焦耳热使活性材料膨胀和收缩进而实现驱动，其研究核心涵盖：焦耳热电极和高活性热响应基础材料的优化设计。当前发展的焦耳热电极设计包括：电极-活性材料共混；皮芯结构以及互缠结构（如图2）。同时，聚合物基热响应活性材料则在分子链取向、结晶区控制、纤维设计以及多材料复合等层面取得一系列里程碑进展。
图2. （a、b）电热聚合物人工肌肉纤维的驱动机制及电极设计（c）肌肉效能增强策略和功能化的进展
电化学驱动：电化学驱动人工肌肉的核心是离子的定向移动，实现材料的扩张或收缩驱动。这类肌肉主要分为导电聚合物和低维纳米材料。基于赝电容原理的导电聚合物具备良好的生物兼容性和较宽的行程范围。碳纳米材料作为双电层电容材料则具有高响应率、高功率输出等优点。近年来，该领域的创新与里程碑进展主要体现在电化学响应新材料、离子注入新机理以及纤维器件创新设计等方面。
图3. 导电聚合物人工肌肉纤维的驱动机制、代表材料、纤维结构和设计策略
介电驱动：对于介电驱动人工肌肉而言，当电压施加于介电弹性体时，会在电极间产生电荷积累，引起材料沿电场方向压缩和垂直方向扩张，进而产生驱动行为。介电驱动人工肌肉纤维是近年来发展起来的新兴领域，具有高响应速率和宽响应频率等优势，但受限于其较高的驱动电压和有限的活性材料选择，其纤维化制备目前主要集中在薄膜卷曲、多材料涂层和同轴挤出等加工方式。
挑战与机遇：走向规模化应用的未来展望
尽管纤维型电驱动人工肌肉的基础研究取得了显著进展，但其走向规模化应用仍面临诸多挑战。其中包括：通过优化焦耳热电极与活性材料的热交换界面、引入热管理系统等，以解决电热机制中的热管理问题；通过发展全固态电解质、提升单位离子的有效驱动体积以及引入高比容活性材料等，提升电化学机制人工肌肉驱动效能；通过开创更高效的成纤方法，实现介电驱动人工肌肉纤维的批量化制备。
最后，文章指出通过在基础材料、加工方式以及优化设计层面去补足各驱动机制人工肌肉纤维的短板固然重要，但充分发挥不同人工肌肉纤维的驱动特点，以实现具体应用场景的良好适配也同样不可忽视。未来，随着柔性电子技术、高效储能技术以及便携式通讯技术的迅猛发展，相信纤维型电驱动人工肌肉将在响应性可穿戴、软体机器人和医学康复设备等领域实现更广泛应用。
了解详情，请阅读原文
[点击下方链接或阅读原文] ▼
