借鉴自然界的结构，到目前为止，研究者们已经开发了各种人工肌肉（又叫驱动器），它们在受到外部刺激时能够可逆地收缩、弯曲或旋转。
近几年，纤维状的人工肌肉受到了广泛的关注。受到外界环境的刺激后，可以像肌肉一样发生收缩/伸长形变，相比于传统的电机和热机的驱动形式更具优势。
然而，人工肌肉纤维领域目前存在一些难题，其中之一是如何精确控制驱动量，目前其控制精度非常低。另外，人工肌肉长时间保持收缩的状态，则需要向其持续注入外界的能量，这不利于后期的应用及节能。
图 | 相关论文（来源：ACS Nano）
近日，中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所（以下简称“中科院苏州纳米所”）团队在 ACS Nano 上发表论文，题为《铝离子插层驱动的步进式人工肌肉纤维》（Stepwise Artificial Yarn Muscles with Energy-Free Catch States Driven by Aluminum-Ion Insertion）[1]。中科院苏州纳米所研究员邸江涛、副所长李清文为该论文的通讯作者，论文的第一作者为博士生任明。
图 | 铝离子嵌入使得人工肌肉纤维收缩的示意图（来源：ACS Nano）
受到双壳类软体动物的肌肉可以在低能耗的条件下长时间保持收缩行为的启发，该团队发展了一种新的离子嵌入的驱动方法，使肌肉纤维在维持特定的驱动状态时，不需要消耗额外的能量。另外，肌肉纤维在步进驱动的精度方面也有明显的提升。
在这项研究中，通过铝离子在塌陷的碳纳米管之间发生可逆的法拉第式嵌入和脱出，解决了上述挑战。这一新的驱动机制使人工肌肉纤维实现了无能耗的高张力的收缩保持状态，和可编程的步进式驱动。
当不提供能量时，即使在高达近十万倍肌肉重量的负载下，人工肌肉纤维几乎能完全地保持已实现的收缩行程。驱动机制允许在可逆驱动过程中，可编程地控制低至 1% 的行程步骤。此外，人工肌肉产生的等距收缩应力大约是骨骼肌的 40 倍，同时可以实现步长的精准控制。
同时，人工肌肉具有高的能量存储能力，当完全充电时，肌肉储存的能量高达 102mAh/g，使得人工肌肉可以作为电池为次级肌肉或其他设备供电。这对开发自供能的人工肌肉，以及多肌肉群多动作的集成驱动系统具有重要意义。
人工肌肉纤维驱动的基本原理，主要涉及铝离子的插层过程，这与铝离子电池的工作机制类似。邸江涛说:"很早之前，我就想把电池的离子插层机制引入到人工肌肉中，以解决人工肌肉的精准驱动问题。"
具体来说，铝离子在充电过程中，可以嵌入到肌肉纤维材料，从而使得纤维体积发生一定的变化。其体积的变化可以通过纤维螺旋结构进行放大，进而在长度方向上产生明显的变化，即类似肌肉的收缩。当施加反向电压时，铝离子会从纤维内部脱嵌，这时纤维将会恢复到原来的长度。
图 | 人工肌肉的零耗能高张力捕捉状态和可编程的步进驱动（来源：ACS Nano）
人工肌肉纤维的收缩利用了铝离子和碳形成的特殊结构-插层化合物。插层化合物的工作机制不同于离子吸附主导的双电层电容，或赝电容机制。插层化合物的形成可以增加主客体材料之间的相互作用，因此肌肉在外应力存在且断电的条件下，仍可以维持驱动的状态。
由于这一化合物的形成可以通过电场调控，因此驱动控制会更方便。例如，可以通过控制反应的电荷数量来控制驱动量，从而实现步进驱动。
该研究从想法的诞生到论文呈现经历了两年多的时间。其中，最大的挑战是如何能够使得离子嵌入到纤维。邸江涛说：“对于圆柱状碳纳米管结构来说，铝离子倾向于在表面进行吸附，主要体现出双电层吸附的行为，而且吸附量也会受到一定限制。”
他们在前期做了很多尝试均以失败告终，后来，通过在源头控制碳纳米管的生长，制备出了管径比较大的碳纳米管。在大管径的碳纳米管塌陷后会形成类石墨的层状结构，从而为铝离子的插层提供了迁移路径和存储空间。相反，常用的圆柱状碳纳米管并没有离子嵌入位点。
作为一种新型驱动器，目前人工肌肉还处于基础研究阶段。由于具备柔性和高强度等优势，人工肌肉在软体机器人上将有一定的应用前景。同时，采用电化学离子嵌入来驱动，所需要的驱动电压很低，基本上都在 5V 以内。从能耗的角度，也使其更具优势，而且没有明显的热效应。
图 | 人工肌肉的能量储存和应用示例（来源：ACS Nano）
以往的肌肉纤维需要机械拉伸，以恢复到启动前的初始肌肉长度。而该项研究所设计的基于碳纳米管的人工肌肉纤维，能够利用储存的能量进行肌肉恢复。当高容量肌肉充电时，肘部会弯曲并做功。高容量的肌肉可以为低容量的肌肉提供动力，使其收缩，从而使肘部恢复到初始位置。
另外，储存在肌肉纤维中的能量可以为玩具汽车提供动力。在充电过程中，人工肌肉纤维收缩，并拉动玩具汽车前进。充电后的人工肌肉纤维被用来为一个迷你电机提供动力，用于拖动汽车返回，实现往复运动。
此外，该研究设计的人工肌肉纤维采用了大量的离子液体作为基础的支撑电解液，因此，其对环境的适应性会更强，在高温高压条件下也能实现稳定驱动。然而，这一结构对湿度还是比较敏感，这是需要进一步改进的。
下一步，该团队将通过优化电极结构来提升人工肌肉的驱动量和响应速度，目前的驱动量约20%。他们最终的目标是做出高性能的肌肉纤维，作为基础的驱动单元实现多样化的应用。
据了解，在中科院苏州纳米所，李清文研究员带领的功能纳米碳材料团队主要致力纳米碳材料可控制备与应用研究，在高纯半导体碳纳米管的分离、碳纳米管纤维与薄膜气相连续制备、以及碳纳米管材料产业化应用等方面做出了重要成果。
参考资料：
1.Ren, M., Xu, P., Zhou, Y., Wang, Y., Dong, L., Zhou, T., Chang, J., He, J., Wei, X., Wu, Y., et al. (2022). Stepwise Artificial Yarn Muscles with Energy-Free Catch States Driven by Aluminum-Ion Insertion. ACS Nano. https://doi.org/10.1021/acsnano.2c05586.
