江蘇大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院副教授胡興好曾讀過一篇科技類小說，說的是在一個(gè)小鼠生物實(shí)驗(yàn)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(yùn)動(dòng)修復(fù)功能的“創(chuàng)口貼”，哪里的肌肉受傷就貼在哪里，從而使受傷者免于穿戴背帶、手套等輔助治療設(shè)備呢？
胡興好把夢(mèng)想變?yōu)榱爽F(xiàn)實(shí)——他的團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)室制作出了生物膠帶。當(dāng)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，并在外部施加小幅電壓時(shí)，膠帶會(huì)自動(dòng)收縮，從而帶動(dòng)肌肉組織收縮，幫助受傷肌肉組織訓(xùn)練和恢復(fù)。日前，相關(guān)成果發(fā)表于《美國化學(xué)會(huì)-納米》。
把人工肌肉做成生物膠帶
人工肌肉是人們依照動(dòng)物骨骼肌，設(shè)計(jì)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(dòng)器。正因?yàn)槠潴w積小、運(yùn)動(dòng)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)域都有廣闊的應(yīng)用前景。
胡興好一直從事人工肌肉驅(qū)動(dòng)機(jī)理研究。2021年1月，他在《科學(xué)》發(fā)表論文，提出了一種新型高性能電化學(xué)驅(qū)動(dòng)人工肌肉，探索出人工肌肉的全新驅(qū)動(dòng)機(jī)理。“在一定頻率范圍內(nèi)，隨著驅(qū)動(dòng)電壓頻率的增加，我們?cè)O(shè)計(jì)的新型電化學(xué)人工肌肉的應(yīng)變也會(huì)一直增加。”這為人工肌肉的實(shí)際應(yīng)用向前邁出一大步奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。當(dāng)時(shí)評(píng)審專家認(rèn)為，這種新型人工肌肉的設(shè)計(jì)和理論分析都很完美。
然而，一根纖維人工肌肉僅有100多微米粗，和頭發(fā)絲差不多粗細(xì)。胡興好認(rèn)為，外骨骼機(jī)器人等大型場(chǎng)景中的應(yīng)用對(duì)纖維人工肌肉的能量、功率、材料等要求很高，“其應(yīng)用還是要先從小的方面入手”。
胡興好想把他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(dòng)人體肌肉收縮，體積小、隨時(shí)可用，而且可以反復(fù)使用。”
目前，市場(chǎng)上并沒有類似的生物膠帶存在，他面對(duì)的是一片藍(lán)海。
材料改性是第一步
“驗(yàn)證人工肌肉電化學(xué)驅(qū)動(dòng)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(jì)和凝膠材質(zhì)這兩大難題，是推動(dòng)纖維人工肌肉在醫(yī)學(xué)上實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵。”胡興好說。
團(tuán)隊(duì)此前采用的都是單根纖維電極與其他電極材料組成的三電極測(cè)試系統(tǒng)。江蘇大學(xué)機(jī)械工程專業(yè)2022級(jí)碩士生張峰瑞負(fù)責(zé)生物膠帶的制作與性能測(cè)試，他在制作生物膠帶時(shí)，采用兩根纖維組成相對(duì)電極，減輕了整體膠帶的重量?！皽y(cè)試結(jié)果顯示，雙纖維電極和單纖維電極對(duì)比，盡管結(jié)構(gòu)不一樣，性能變化卻不明顯。”
于是，胡興好把研究重點(diǎn)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、光照、電化學(xué)等方式下進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。
胡興好解釋說，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(huì)“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(dòng)不動(dòng)，收縮應(yīng)變只有1%。他嘗試在碳納米管纖維中加入其他材料，通過大量實(shí)驗(yàn)，最終找到一種材料——聚苯乙烯磺酸鹽。
數(shù)據(jù)表明，由碳納米管纖維復(fù)合聚苯乙烯磺酸鹽制備出的纖維人工肌肉的收縮應(yīng)變提升到了5%，其輸出應(yīng)力也提升了近3倍。這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(jì)生物膠帶是為了帶動(dòng)人體肌肉運(yùn)動(dòng)，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?！焙d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。
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(gè)大力士在不動(dòng)的狀態(tài)下承受更多的重物，除了優(yōu)化材料讓離子進(jìn)入得更多外，還要增大每個(gè)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?！八惦娊庖河凶陨砣毕?，電壓大了，水系電解液就變成了電解水?！?/p>
胡興好通過實(shí)驗(yàn)，努力尋找另一種液態(tài)電解液，最終從汽車電池的有機(jī)電解液中獲得靈感，采用了有機(jī)電解液，其輸出應(yīng)變大幅提升了16%。
生物膠帶是一種凝膠敷貼，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)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，不斷更換凝膠的選型和濃度，他們花了一年時(shí)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(bào)》，實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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伏的電壓，會(huì)明顯感覺到皮膚和肌肉隨著膠帶在收縮。
胡興好說，生物膠帶還是實(shí)驗(yàn)室作品，透氣性如何、是否會(huì)對(duì)皮膚產(chǎn)生影響，還需要進(jìn)一步研究，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(huì)經(jīng)歷無數(shù)次失敗，但是這些都會(huì)成為研究的基石?！焙d好表示，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(chǎng)景之一。他計(jì)劃進(jìn)一步探索電化學(xué)驅(qū)動(dòng)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。
文章來源：中國科學(xué)報(bào) 2024年1月8日 3版
文章鏈接：https://news.sciencenet.cn/sbhtmlnews/2024/1/377869.shtm
