处于再生医学和仿生材料交叉点的材料科学家和生物工程师寻求开发具有自我感知能力的形状可编程人工肌肉，以应用于医学。在最近发表在《科学进步》上的一份新报告中，刘浩然（Haoran Liu）和中国交通大学前沿科学技术研究所的系统与通信工程研究团队受到了肌肉、骨骼、，以及哺乳动物和其他生物的神经系统，在实验室中制造出一种多功能人工肌肉。该结构包含聚多巴胺涂层液晶弹性体（LCE）和同心管或同心棒中的低熔点合金（LMPA）。虽然研究小组采用外部液晶弹性体来模拟可逆收缩和恢复，但他们使用内部低熔点合金来锁定变形，并检测阻力力学，就像骨骼和神经功能一样。人工肌肉表现出一系列性能，包括调节弯曲和变形以支撑重物，是设计仿生软设备的直接有效方法。googletag。命令。push（function（）{googletag.display（'div-gpt-ad-1453799284784-2'）；}）；受骨架启发的软机器人鈥搈肌肉痉挛鈥搉erve系统
科学家的目标是实现软机器人元件和人类之间的生物相容性，以实现辅助运动和高承载能力；然而，这种努力具有挑战性。大多数传统机器人仍在工业、农业和航空航天环境中使用，用于基于传感器的高精度承重应用。相比之下，一些功能性软机器人依靠材料来提高人机交互的安全性。因此，软机器人是硬机器人的补充，具有巨大的应用潜力。仿生构造也为模拟骨骼肌神经系统提供了另一种灵感，以促进敏捷的运动和快速反应或思考，并具有独特的体型以适应任务和执行多种生理功能。在这项工作中，刘等人受到仿生学这一迷人想法的启发，开发了多功能人工肌肉，用于智能应用。
演示多功能人工肌肉提升，并在机器人手臂的协助下携带100克物体。信贷：科学进步，10.1126/sciadv。abn5722实验室仿生
在实验过程中，研究小组通过液晶弹性体（LCE）和同心管或同心棒形状的低熔点合金（LMPA）赋予了形状可编程、变形锁定和自感知功能。外部弹性体提供可逆的收缩和恢复，而内部合金为肌肉和骨骼的功能提供形状负荷。为了在光照下实现快速光热转换，研究小组在弹性体表面涂覆了一层聚多巴胺薄膜，并触发收缩和弯曲变形。该过程允许在复杂和未知的环境中实现方便的功能，以创建具有高承载能力和低功耗的形状可配置人工肌肉，实现智能功能。
工作原理
研究小组展示了拟用的多功能肌肉与软弹性体和硬质合金材料的结合。Liu等人利用与胺和硫醇的Michael加成反应制备了液晶弹性体（LCE），并通过在玻璃管或玻璃棒中的凝胶化，制造出松散交联的中空弹性体管。研究人员通过在材料表面形成聚多巴胺层来引入光热效应，从而在近红外范围内保持优异的光稳定性和强吸收特性。该团队展示了如何通过将预制低熔点合金（LMPA）嵌入聚合物涂层LCE管中来开发多功能人工肌肉。然后，他们用激光照射人造肌肉的一侧，使该区域的光瞬间转化为热。变形的对比分析显示，激光照射后约6秒发生瞬时弯曲，突出了LMPA对肌肉变形优良特性的影响。
将多功能人工肌肉描述为可重构天线
Liu等人使用ABAQUS软件进行有限元分析，并模拟热源。他们研究了人工肌肉在不同辐照功率下的温度和应力分布。虽然较大的辐照功率会在弹性体中产生较大的应力，但这进一步触发了人造肌肉合金区域的较大弯曲角。该团队通过实验测试和模拟，分析了由激光功率、光斑面积和辐照时间决定的多功能人工肌肉的弯曲角度。他们展示了如何调节弯曲角度、方向和位置的柔性变形，以增加形成形状可编程人工肌肉的可能性。
该团队通过一系列实验（包括循环试验）来描述人工肌肉的快速形状转换和变形锁定性能，以证明其变形能力。他们进一步描述了基于电阻变化实时监测人造肌肉动态行为的传感功能。Liu等人进一步利用了多材料的特性，并展示了所提出的多功能人工材料作为可重构天线的应用。在这种情况下，他们通过将激光应用于人造肌肉表面来测量弯曲角度，以作为远程控制的可重构天线。
见解
通过这种方式，刘浩然及其同事开发了一种基于活体骨骼、肌肉和神经行为特征的形状可编程、变形锁定和自感知人工肌肉，使用软弹性材料和高刚度合金材料。刚性低熔点合金（LMPA）模仿生物体的内骨骼，提供结构强度，而由液晶弹性体（LCE）制成的纯软材料提供强大的驱动应力和安全的物理兼容性，以模拟自然肌肉。这项研究提供了一个具有上述特征的人工肌肉的第一个实例，其中构造物显示出快速的形状变换和变形特性，从而产生概念验证机器人手臂，应用于触觉显示和医学。进一步探索
胡文琦等，《具有多模式运动的小型软体机器人》，《自然》（2018）。内政部：10.1038/Nature25443期刊信息：科学进步，自然