【背景知识】

能够产生相当大的力和运动的人造肌肉 被认为是缓解可再生材料和机器人设计的巨大压力的有前途的解决方案。在过去的20年中，各种基于人工肌肉的执行器在微型飞行器，千斤顶夹具，仿生设计 等领域得到了发展。与执行器中使用的传统材料相比，聚合物基材料 具有卓越的性能，例如出色可成型性，低成本和高弹性。通过精心设计的构型和构型，可以通过大变形，自我修复，多种刺激响应等增强整体性能。在聚合物基材料中，基于形状记忆效应（SME)的形状记忆聚合物（SMP）在软机器人和人造肌肉 中占据着不可或缺的位置。这是由于形状记忆聚合物具有出色的刺激响应能力和可编程性，其中肌肉的收缩和释放分别对应于聚合物的变形和恢复。在各种SMP中，具有可逆循环特性的双向和准双向材料无疑是更有前途的，例如半结晶聚合物（SCP）和液晶弹性体（LCE）。提供独特延展性和可塑性的长链骨架以及表现出快速相变和受控取向的响应元件正好满足SMP的两个基准（即机械和响应特性）。

与热致动器相比，光驱动系统具有瞬时控制，环境友好和非接触启动的巨大优势。另一个值得注意的挑战是在响应性能和物理特性（包括SMP的强度，应变，延展性和可塑性）之间取得平衡。尽管LCE表现出无与伦比的响应性能和较大的机械强度，但它们的柔韧性不足使难以实现较大的应变变形。另一方面，具有SME的SCP具有很好的拉伸性，高断裂伸长率和自愈能力，但是当用作软机器人的光致动器时，其变形可控性比LCE差。

【科研摘要】

最近，上海交通大学陈玉洁 /刘河洲教授（长江） 团队设计了一种新颖的多功能可编程人工肌肉，该肌肉具有通过偶氮苯基之间的π–π堆 叠形成的独特的贴片缝合结构，结合了SCP和LCE的优点。纳米复合材料在人工肌肉性能（能量密度是人骨骼肌的能量密度的46.5倍 和功率密度的26.6倍 ）与可编程性（1秒内 的274.84％应变和100％形状记忆恢复率 ）之间有着独特的结合。同时，结合偶氮苯的光异构化和金纳米棒的光热转化，可以在30 s内迅速完成紫外光触发的变 形和红外光恢复的循环。建立了COMSOL Multiphysics模型，并通过相应的有限元分析验证了光致动，并捕获了弹性体中光引发的一般原理。这些证明多功能可编程弹性体在人造肌肉应用中特别是在光致致动方面很有前途。相关论文Multiresponse Shape-Memory Nanocomposite with a Reversible Cycle for Powerful Artificial Muscles发表在《Chem. Mater.》上。

【图文解析】

如图1a所示，复合PU-AZO11 / Au的形成和基本结构可以清楚地呈现为线性偶氮苯共聚物，金纳米棒分散在液晶网络中。如图1a所示，可以实现一种新型的缝线结构液晶纳米复合材料网络PU-AZO11/Au。用PCL-diOH和HDI制成的纯聚氨酯太软而无法支撑自身，偶氮苯基团的增加成为硬链段，这增强了复合材料的机械性能，为光致异构化和光热行为提供了机械基础（图 1b）。

图1. 用于人造肌肉的多功能聚合物复合材料的结构和特征。（a）以设计结构作为功能性线穿过液晶网络的复合材料合成路线的示意图。（b）三步多重刺激-响应周期的示意图。（c）PCL-diOH，PU（100PCL），PU-AZO11和PU-AZO11/Au的FTIR光谱比较。（d）比较PCL含量不同的复合材料的FTIR光谱。（e）具有不同比例尺的金纳米棒的TEM图像。

如动态力学分析（DMA）曲线所示（图2a），随着系统中的软链段PCL从50 wt％增至70 wt％，玻璃化转变温度（Tg）会适度下降 在2.41至14.89°C之间，用tanδ鉴定。此外，在室温下进行了应力应变测量的拉伸试验，其中杨氏模量（E）从205.34稳步下降至143.92 MPa，当PCL的含量从30 wt％增加到70 wt％时断裂伸长率（εB）从13.92攀升至274.84％（图2b）。随着温度进一步升高并最终转变为粘性状态，机械性能（例如E，σB和εB）明显下降（图2d），与DMA图相对应。除了相邻硬链段和液晶相之间的偶氮苯取向外，PCL软链段之间部分结晶所导致的取向还可以通过加热后获得的X射线衍射（XRD）图进行验证（图2e）