借鑒自然界的結構，到目前為止，研究者們已經開發了各種人工肌肉（又叫驅動器），它們在受到外部刺激時能夠可逆地收縮、彎曲或旋轉。
近幾年，纖維狀的人工肌肉受到了廣泛的關注。受到外界環境的刺激後，可以像肌肉一樣發生收縮/伸長形變，相比於傳統的電機和熱機的驅動形式更具優勢。
然而，人工肌肉纖維領域目前存在一些難題，其中之一是如何精確控制驅動量，目前其控制精度非常低。另外，人工肌肉長時間保持收縮的狀態，則需要向其持續注入外界的能量，這不利於後期的應用及節能。
圖 | 相關論文（來源：ACS Nano）
近日，中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所（以下簡稱“中科院蘇州納米所”）團隊在 ACS Nano 上發表論文，題為《鋁離子插層驅動的步進式人工肌肉纖維》（Stepwise Artificial Yarn Muscles with Energy-Free Catch States Driven by Aluminum-Ion Insertion）[1]。中科院蘇州納米所研究員邸江濤、副所長李清文為該論文的通訊作者，論文的第一作者為博士生任明。
圖 | 鋁離子嵌入使得人工肌肉纖維收縮的示意圖（來源：ACS Nano）
受到雙殼類軟體動物的肌肉可以在低能耗的條件下長時間保持收縮行為的啟發，該團隊發展了一種新的離子嵌入的驅動方法，使肌肉纖維在維持特定的驅動狀態時，不需要消耗額外的能量。另外，肌肉纖維在步進驅動的精度方面也有明顯的提升。
在這項研究中，通過鋁離子在塌陷的碳納米管之間發生可逆的法拉第式嵌入和脫出，解決了上述挑戰。這一新的驅動機制使人工肌肉纖維實現了無能耗的高張力的收縮保持狀態，和可編程的步進式驅動。
當不提供能量時，即使在高達近十萬倍肌肉重量的負載下，人工肌肉纖維幾乎能完全地保持已實現的收縮行程。驅動機制允許在可逆驅動過程中，可編程地控制低至 1% 的行程步驟。此外，人工肌肉產生的等距收縮應力大約是骨骼肌的 40 倍，同時可以實現步長的精準控制。
同時，人工肌肉具有高的能量存儲能力，當完全充電時，肌肉儲存的能量高達 102mAh/g，使得人工肌肉可以作為電池為次級肌肉或其他設備供電。這對開發自供能的人工肌肉，以及多肌肉群多動作的集成驅動系統具有重要意義。
人工肌肉纖維驅動的基本原理，主要涉及鋁離子的插層過程，這與鋁離子電池的工作機制類似。邸江濤說:"很早之前，我就想把電池的離子插層機制引入到人工肌肉中，以解決人工肌肉的精準驅動問題。"
具體來說，鋁離子在充電過程中，可以嵌入到肌肉纖維材料，從而使得纖維體積發生一定的變化。其體積的變化可以通過纖維螺旋結構進行放大，進而在長度方向上產生明顯的變化，即類似肌肉的收縮。當施加反向電壓時，鋁離子會從纖維內部脫嵌，這時纖維將會恢復到原來的長度。
圖 | 人工肌肉的零耗能高張力捕捉狀態和可編程的步進驅動（來源：ACS Nano）
人工肌肉纖維的收縮利用了鋁離子和碳形成的特殊結構-插層化合物。插層化合物的工作機制不同於離子吸附主導的雙電層電容，或贗電容機制。插層化合物的形成可以增加主客體材料之間的相互作用，因此肌肉在外應力存在且斷電的條件下，仍可以維持驅動的狀態。
由於這一化合物的形成可以通過電場調控，因此驅動控制會更方便。例如，可以通過控制反應的電荷數量來控制驅動量，從而實現步進驅動。
該研究從想法的誕生到論文呈現經歷了兩年多的時間。其中，最大的挑戰是如何能夠使得離子嵌入到纖維。邸江濤說：“對於圓柱狀碳納米管結構來說，鋁離子傾向於在表面進行吸附，主要體現出雙電層吸附的行為，而且吸附量也會受到一定限制。”
他們在前期做了很多嘗試均以失敗告終，後來，通過在源頭控制碳納米管的生長，製備出了管徑比較大的碳納米管。在大管徑的碳納米管塌陷後會形成類石墨的層狀結構，從而為鋁離子的插層提供了遷移路徑和存儲空間。相反，常用的圓柱狀碳納米管並沒有離子嵌入位點。
作為一種新型驅動器，目前人工肌肉還處於基礎研究階段。由於具備柔性和高強度等優勢，人工肌肉在軟體機器人上將有一定的應用前景。同時，採用電化學離子嵌入來驅動，所需要的驅動電壓很低，基本上都在 5V 以內。從能耗的角度，也使其更具優勢，而且沒有明顯的熱效應。
圖 | 人工肌肉的能量儲存和應用示例（來源：ACS Nano）
以往的肌肉纖維需要機械拉伸，以恢復到啟動前的初始肌肉長度。而該項研究所設計的基於碳納米管的人工肌肉纖維，能夠利用儲存的能量進行肌肉恢復。當高容量肌肉充電時，肘部會彎曲並做功。高容量的肌肉可以為低容量的肌肉提供動力，使其收縮，從而使肘部恢復到初始位置。
另外，儲存在肌肉纖維中的能量可以為玩具汽車提供動力。在充電過程中，人工肌肉纖維收縮，並拉動玩具汽車前進。充電後的人工肌肉纖維被用來為一個迷你電機提供動力，用於拖動汽車返回，實現往複運動。
此外，該研究設計的人工肌肉纖維採用了大量的離子液體作為基礎的支撐電解液，因此，其對環境的適應性會更強，在高溫高壓條件下也能實現穩定驅動。然而，這一結構對濕度還是比較敏感，這是需要進一步改進的。
下一步，該團隊將通過優化電極結構來提升人工肌肉的驅動量和響應速度，目前的驅動量約20%。他們最終的目標是做出高性能的肌肉纖維，作為基礎的驅動單元實現多樣化的應用。
據了解，在中科院蘇州納米所，李清文研究員帶領的功能納米碳材料團隊主要致力納米碳材料可控制備與應用研究，在高純半導體碳納米管的分離、碳納米管纖維與薄膜氣相連續製備、以及碳納米管材料產業化應用等方面做出了重要成果。
參考資料：
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.
