麻省理工学院打造“人造肌肉”

Sid Perkins

当一根黄瓜开始生长时，它需要紧紧地盘绕卷须，为了寻找支撑力将植物向上拉伸。这样也确保了植物尽可能地获得最多的阳光照射。近日，麻省理工学院的科学家们发现了效仿这种“盘绕拉伸”的机制，将它用于制造出一种收缩纤维，用来制成机器人、假肢或其他生物医学中的人造肌肉。

最近，麻省理工学院的博士后Mehmet Kanik等人共同研究发现了一种新型纤维物，运用“纤维伸拉”技术将两种不同的聚合物粘合成单根纤维。“热胀冷缩”是人们熟知的自然现象，而每种材料都有各自不同的热膨胀系数——就是温度平均每升高1个单位，长度的相对变化量。

这一过程的关键在于，将两种不同热膨胀系数的物质融合在一起——这意味着当温度升高时，两种物质会产生不同的膨胀程度。这与多数恒温控制器的原理相同，比如用一种双金属片在电路过载时感受温度的变化， 进而改变双金属片的弯曲程度，并控制接触断开的效果。当两种物质温度升高，其中一种膨胀更快的物质会被另一种物质抑制效果。因此，复合材料会卷起，向膨胀更慢的一方弯曲。

在两种不同聚合物的共同弯曲下，Kanik与研究团队利用一种极易伸缩的闭环共聚弹性体和一种坚硬的热塑性聚乙烯制造出一种纤维，当它拉伸至大于自身长度的数倍长后，将自然形成为紧密的卷状，类似于黄瓜产生的卷须。可是Anikeeva回忆说：“研究人员在初次实验后，出现了许多意料之外的新发现。”

当Kanik 初次采用卷曲纤维时，仅靠他手上的温度就能使纤维紧实地卷曲起来。 研究过后， kanik 还发现了即使温度出现极小的变化也能让卷曲效果更加明显，产生意外的强力拉伸效果。研究人员表示：“拉长的原因之一，是因为所有一切操作都是在适中的状态下进行的，其中也包括低激活温度，仅升高1摄氏度就足使纤维发生拉伸效应。”

为了测试单根纤维可承受的重量载荷，研究人员还设计了小型专用的测试装置。经过实验显示，单根纤维能够承受超过自身重量650倍的载荷。此外，这种纤维可以拉伸至较大的尺寸范围，宽度从几微米到几毫米宽，进而可以分批生产出几百米长的捆绑纤维。实验中所选用的聚合物材料的价格十分低廉，目前生产的人造肌肉纤维的成本大概是每米 6 美分。

通过纤维伸拉体系制成的纤维，这个过程中将粘合其他物质，进而制成超大尺寸的物质，这一过程被称作预制。接下来纤维在特定的温度下被加热，物质变为粘性，如同搅拌糖稀一样。这样的做法可以在纤维保持内部结构的状态下，还能够控制最终成型的尺寸。

更为难得的是，当纤维受热收缩时，研究人员通过对其长度的变化量与温度升降程度进行建模，初步得出一套相对精确的程序。借此就能够准确地调节纤维中材料所需的拉伸力，以及引发拉伸力所需的温度。这使得纤维在未来的应用中更具有实用价值。

在综合考慮拉伸温度下两种材料的粘度、能否满足鲁棒驱动等约束条件，经过有限元分析，研究人员在实验中选择采用 HDPE 和 COCe 两种聚合物。纤维制造好后，如果将其拉伸至原始长度的数倍，它将自然地形成一个类似弹簧的线圈。研究人员Mehmet 认为他们是开发了一个新的平台，对于这项“人造肌肉”的研究更深刻且长远的意义，目前实验是依照不同热膨胀系数的 HDPE 和 COCe 两种聚合物而设计，但这只是一个基于纤维的“人造肌肉”框架。“这种制造方法的本质，将使该领域的科研人员有无限的可能创造出多功能的人造肌肉装置。”

研究人员表示，现在团队所使用的纤维拉伸技术已经十分成熟，而且经济有效。他们对于这种“人造肌肉”纤维接受大规模的人造假肢和软体机器人设备应用的检验充满了信心。此外，大概成本只有每米 6 美分，已经具备工业化规模量产的条件。

出于测试的目的，研究人员利用导电纳米网覆盖在纤维表面。这些导电纳米网可作为传感器，反应出纤维所处的具体张力值。未来，这些纤维同样可以融入加热零件如光导纤维和电极， 从内部提供加热方式，而不用再依赖任何外部热源刺激肌肉的伸缩。如此纤维可作为制动器，应用于机器人手臂、腿及其他假肢中，轻量级和快速反应能力是新型纤维最有利的竞争优势。

对于未来的研究方向，研究人员Mehmet 说：“在更大规模的应用中，潜在的挑战是拓展刺激源（温度以外的条件），这样可以通过对肌肉结构的创新来改进。我们将尝试建立各种不同的内部刺激机制，包括电学、光学或电化学等。”

目前的假肢重量最多达到30磅，而其中大部分的重量来自于制动器，它们的材质大多是充气式或液压式。所以，这种轻量级制动器将使假肢使用者的生活变得更为便捷。同时，研究人员Anikeeva认为：“这种纤维也能应用于微型的生物医学设备，比如一个医用机器人需要进入血管中工作，并且被激活，它所需的激活时间大约在十几毫秒到几秒钟。”

为了达到更大的载荷能力，纤维可以被捆绑起来作为肌肉纤维装置在人体内。现在，研究团队已经成功实验捆绑100根纤维。通过纤维伸拉，传感器也可以与纤维粘合在一起，在特定的情况下提供信息反馈。研究人员?rg¨??表示：“带有闭环反馈机制的捆绑肌肉纤维可以应用在自动精准控制的机器人系统中。”

研究人员Kanik表示：“这类物质具有无限的可能性，因为几乎任何两种不同热膨胀系数物质的粘合都是可行的。这项发现如同打开了一扇窗户， 未来还有更多的窗户等待我们去打开。”

编译自《科学》杂志

（责任编辑 姜懿翀）