Chem. Mater.┃可重复循环的超强多重响应人造肌肉材料

英文原题：Multiresponse Shape-Memory Nanocomposite with a Reversible Cycle for Powerful Artificial Muscles

通讯作者：陈玉洁，上海交通大学；刘河洲，上海交通大学

作者：Chi Chen, Yangyuanchen Liu, Ximin He, Hua Li, Yujie Chen, Ying Wei, Yusen Zhao, Yanfei Ma, Zhen Chen, Xu Zheng, and Hezhou Liu

人造肌肉材料一直以来在仿生设计和柔性机器人方面都有着巨大的应用潜力。与传统材料相比，聚合物基的人造肌肉材料拥有低密度、高弹性、易成型、低成本等优势。通过化学结构以及聚合物构型的设计，可以实现大变形、自我修复、多重响应等综合性能。而在所有聚合物基人造肌肉材料中，基于形状记忆性能（SME）的形状记忆聚合物（SMP）有着独一无二的研究价值。因为其对于外界刺激产生的形变与刺激撤去之后的恢复行为对应着肌肉的收缩与释放过程。近年来，大部分有关形状记忆聚合物的研究是以热作为刺激源，但无论是热刺激或电热刺激都会带来包括直接接触、传热不均等问题，从而影响驱动可控性。另一方面，在各类性转记忆聚合物中，具有可逆循环特性的双向与准双向性转记忆聚合物无疑更有前途，如半结晶聚合物（SCP）和液晶弹性体（LCE）。而传统的半结晶聚合物虽然具有较好的延展性与自修复性能，但是其驱动响应性与可控性远低于液晶弹性体；液晶弹性体虽然展现出良好的可控运动能力，但是较低的形变能力与脆性限制了其应用环境。

图1. 新型人造肌肉材料的特殊缝合结构与多重响应示意图。

针对上述聚合物基人造肌肉材料的困境，上海交通大学刘河洲研究员和陈玉洁副研究员团队设计了一种基于偶氮苯基团之间π-π堆叠的新型多重响应人造肌肉材料。复合体系以含有偶氮苯官能团的长链线性聚氨酯为基础，类似针线穿过具有偶氮苯的液晶弹性体基体，形成了具有特殊缝合结构的聚合物基形状记忆材料（图1a）。同时引入长径比为7：1的金纳米棒，利用偶氮苯官能团对于365nm波段的异构作用与金纳米颗粒800-900nm对于波段的光热转化效应，构成了室温预应力形变-紫外光向光弯曲-红外光恢复的多重响应可逆循环过程（图1b）。

图2.新型人造肌肉材料的驱动性能与可擦写性能。

由于此类特殊结构的作用，该人造肌肉材料很好地结合了半结晶聚合物与液晶弹性体的优点，具有超强的人工肌肉驱动性能（可以提拉自身质量2000倍以上的重物，能量密度与功率密度分别为人类骨骼肌的46.5倍和26.6倍）以及可编程性能（274.84%的断裂伸长率与1秒内100%的形状恢复率）。此外，该材料还表现出基于表面自修复性能的可擦写行为，在破坏表面形成图案后，样品可以在热条件下实现1分钟之内的表面自修复（图2）。

图3.新型人造肌肉材料的光响应性能。

经过测试，该人造肌肉材料对于365 nm波段的紫外光与800-900 nm的近红外光表现出出色的响应性能。当样品单边被固定时，弯曲角度从0°增加至180°以及从180°恢复至0°的过程均在30秒内实现。当样品两端被固定时，紫外光引发的宏观蜷曲收缩与近红外光引发的光热恢复均可拖动自身质量300倍的负载运动。此外，该材料表现出类似人类手臂行为的向光负载弯曲，可以携带自身质量8.3倍的负载弯曲60°，远超于此前同类材料的报道（图3）。

图4.新型人造肌肉材料的数值模拟结果。

在此基础上采用有限元方法，建立了COMSOL multiphysics模型，在对实验结果进行数学验证的同时为相关光响应材料的驱动行为提供了数值理论与研究模型（图4）。

相关论文发表在Chemistry of Materials 上，上海交通大学博士研究生陈驰为文章的第一作者，陈玉洁副研究员和刘河洲研究员为通讯作者。

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Multiresponse Shape-Memory Nanocomposite with a Reversible Cycle for Powerful Artificial Muscles

Chi Chen, Yangyuanchen Liu, Ximin He, Hua Li, Yujie Chen*, Ying Wei, Yusen Zhao, Yanfei Ma, Zhen Chen, Xu Zheng, and Hezhou Liu*

Chem. Mater., 2021, DOI: 10.1021/acs.chemmater.0c04170

Publication Date: January 19, 2021

Copyright © 2021 American Chemical Society

（本稿件来自ACS Publications）