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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