江蘇大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院副教授胡興好曾經(jīng)讀了一篇科技類小說，里面介紹在一個小鼠生物實驗中，受傷的小鼠貼了膏藥后恢復(fù)了肌肉功能。這一描述讓他大受啟發(fā)，有沒有一種具有運動修復(fù)功能的“創(chuàng)口貼”，哪里的肌肉受傷了就貼在哪里，使得受傷者可以免于穿戴背帶、手套等輔助治療的設(shè)備呢？
胡興好把夢想變?yōu)榱爽F(xiàn)實。他的團(tuán)隊在實驗室制作出生物膠帶。這種基于纖維人工肌肉的生物膠帶，貼敷在受傷或者萎縮的人體肌肉上，在外部施加小幅電壓下，膠帶會自動收縮，從而帶動肌肉組織的收縮，幫助受傷肌肉組織訓(xùn)練和恢復(fù)。日前，相關(guān)研究論文發(fā)表在《美國化學(xué)會—納米》上。
基于電化學(xué)驅(qū)動的纖維人工肌肉生物膠帶的應(yīng)用演示。課題組供圖
把人工肌肉做成生物膠帶
人工肌肉是人們依照動物骨骼肌，設(shè)計出的具有高輸出應(yīng)變、高輸出能量、高輸出功率以及大負(fù)載能力的柔性驅(qū)動器。正因為其體積小、運動自由度高、可以適應(yīng)受限工作環(huán)境，因此在柔性骨骼、柔性飛行器、生物醫(yī)療、精準(zhǔn)微創(chuàng)手術(shù)等領(lǐng)域都有著廣闊的應(yīng)用前景。
胡興好一直從事人工肌肉驅(qū)動機(jī)理的研究。2021年1月，他在《科學(xué)》雜志發(fā)表論文，提出了一種新型高性能電化學(xué)驅(qū)動人工肌肉，探索出了人工肌肉的全新驅(qū)動機(jī)理，“我們設(shè)計的新型電化學(xué)人工肌肉在一定頻率范圍內(nèi)，隨著驅(qū)動電壓頻率的增加，應(yīng)變也會一直增加。”這為人工肌肉的實際應(yīng)用向前邁出一大步奠定了堅實的基礎(chǔ)。當(dāng)時評審專家認(rèn)為，這種新型人工肌肉的設(shè)計和理論分析都很完美。
然而，一根纖維人工肌肉僅有100多微米，和頭發(fā)絲差不多粗細(xì)，胡興好認(rèn)為，細(xì)如牛毛的纖維人工肌肉，要在外骨骼機(jī)器人等大型場景應(yīng)用，對其能量、功率、材料等要求很高，“其應(yīng)用還是要先從小的方面入手”。
胡興好想到把自己研制的人工肌肉做成生物膠帶，“普通醫(yī)療膠帶是藥物在起作用，有效性短，藥物失效了就不能再使用；生物膠帶發(fā)揮的是物理作用，用人工肌肉的收縮帶動人體肌肉收縮，體積小，隨時可用，而且可以反復(fù)使用。”
目前，市場上并沒有類似的生物膠帶存在，他面對的是一片藍(lán)海。
材料改性是第一步
“驗證人工肌肉電化學(xué)驅(qū)動機(jī)理，并根據(jù)生物膠帶的特殊要求解決結(jié)構(gòu)設(shè)計和凝膠材質(zhì)這兩大難題，是推動纖維人工肌肉在醫(yī)學(xué)上實際應(yīng)用的關(guān)鍵。”胡興好說。
江蘇大學(xué)機(jī)械工程22級碩士生張峰瑞負(fù)責(zé)生物膠帶的制作與性能測試，他采用的是單根纖維電極與其他電極材料組成的三電極測試系統(tǒng)；而在制作生物膠帶中，采用兩根纖維組成相對電極，減輕了整體膠帶的重量。“用雙纖維電極的測試結(jié)果顯示：雙纖維電極和單纖維電極對比，盡管結(jié)構(gòu)不一樣了，性能變化卻不明顯。”
于是，胡興好把研究重點放在了纖維人工肌肉材料上，材料改性是第一步。
碳納米管纖維是國際公認(rèn)的制作人工肌肉的理想材料之一，加捻成螺旋結(jié)構(gòu)的碳納米管纖維可以在電熱、濕度、光照、電化學(xué)等方式下進(jìn)行驅(qū)動。
胡興好解釋道，碳納米管纖維有很多孔隙，在電化學(xué)電壓作用下，電解液中的溶劑化離子會跑到碳納米管纖維的孔隙中，從而使碳納米管纖維的體積增大；再通過類似搓麻繩的加捻過程，將碳納米管纖維體積膨脹轉(zhuǎn)化為長度收縮。
碳納米管纖維直接通電收縮效果非常明顯，但放在電解液中卻一動不動，收縮應(yīng)變卻只有1%。他嘗試在碳納米管纖維中加了其他的材料，通過大量的試驗，找到了一種材料——聚苯乙烯磺酸鹽。
數(shù)據(jù)表明，由碳納米管纖維復(fù)合聚苯乙烯磺酸鹽（PSS）制備出的纖維人工肌肉，其收縮應(yīng)變提升到了5%，其輸出應(yīng)力也提升了近三倍。這也成為了制作生物膠帶的基礎(chǔ)材料。
嘗試新型電解液
“以前，我們關(guān)注的是在外界電壓作用下，纖維人工肌肉可以伸多長、縮多短；現(xiàn)在，設(shè)計生物膠帶是為了帶動人體肌肉運動，我們更關(guān)注纖維人工肌肉在長度不變的情況下能夠產(chǎn)生多大的力。”胡興好表示，在生物膠帶方向，研究從提升輸出應(yīng)變，轉(zhuǎn)變成提升輸出應(yīng)力。
要讓纖維人工肌肉在靜止?fàn)顟B(tài)下產(chǎn)生更大的力，就好比讓一個大力士在不動的狀態(tài)下承受更多的重物，除了優(yōu)化材料讓離子數(shù)量進(jìn)入得更多，還要增大每個進(jìn)入離子的有效體積。這其中，電解液的選擇非常關(guān)鍵。
此前，胡興好一直研究的是液態(tài)電解液，“水系電解液有自身缺陷，因為電壓大了，水系電解液就變成了電解水。”胡興好通過實驗，努力尋找另一種液態(tài)電解液，最終從汽車電池的有機(jī)電解液中吸取靈感，采用了有機(jī)電解液，其輸出應(yīng)變大幅度提高了16%。
生物膠帶是一種凝膠敷貼，要讓這種類似果凍的凝膠有效驅(qū)動纖維人工肌肉，胡興好發(fā)現(xiàn)，從液體到凝膠，電解液變化了，纖維人工肌肉的性能衰減得很明顯。
通過查閱文獻(xiàn)和試驗驗證，不斷更換凝膠的選型和濃度，胡興好花了一年時間，最終找到了合適的凝膠電解液。張峰瑞告訴《中國科學(xué)報》，實驗數(shù)據(jù)最終證明：纖維人工肌肉在凝膠電解液下的輸出應(yīng)變也能達(dá)到10%。
在胡興好的實驗室里，兩條黑色纖維人工肌肉被固定在硅膠材料中，這就是生物膠帶的雛形。把生物膠帶貼在皮膚上，通上1至3伏左右的電壓，會明顯感覺到自己的皮膚和肌肉隨著膠帶在收縮。
胡興好說，生物膠帶還是實驗室作品，透氣性如何、是否會對皮膚產(chǎn)生影響，還需要進(jìn)一步優(yōu)化，以解決更多生物兼容性的問題。
“科學(xué)研究就是不斷探索的過程，會經(jīng)歷無數(shù)次失敗，但是這些都會成為你研究的基石。”基于纖維人工肌肉制作出生物膠帶，只是電化學(xué)人工肌肉的應(yīng)用場景之一。胡興好計劃進(jìn)一步探索電化學(xué)驅(qū)動人工肌肉機(jī)理，在機(jī)理清晰的基礎(chǔ)上廣泛開展纖維人工肌肉的應(yīng)用研究，例如仿生魚、制作用于手部康復(fù)的康復(fù)手套、仿人機(jī)器人中的驅(qū)動模塊、外骨骼機(jī)器人等。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1021/acsnano.3c07694
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