清华大学团队构筑仿生人工心肌，能举起4000倍自重的重物

　　肌肉，是一种具有惊人性能的天然“软执行器”。而人体的骨骼肌、平滑肌和心肌可以表现出优异的刺激响应特性，并且能够进行各种变形以实现特定的生物功能。例如，肱二头肌可以通过收缩举起重物，血管可以通过蠕动运输血液，心脏可以通过收缩扭转泵血。
值得关注的是，液晶弹性体（Liquid Crystal Elastomer，LCE）能够以较大的可逆变形对外界刺激作出反应，在自然肌肉制造模拟人工肌肉方面具有显著的优势。迄今为止，LCE 在模拟骨骼、平滑肌的变形及相关功能方面已经取得一定进展。

然而，由于现有的制造策略限制，利用 LCE 模拟心肌运动进一步实现由心肌结构决定的泵辅功能仍然是一个挑战。
受人类心脏内心肌纤维在特定空间排列和协同驱动的启发，清华大学团队提出了一种简单而通用的 LCE 纤维构建人工心肌的方法。从而构造出人工心肌，并能同时进行收缩和扭转运动实现心脏泵血功能，其他智能材料执行具有的挑战性任务时，这种策略也适应。

图｜基于 LCE 纤维的人工心肌设计

9 月 23 日，相关论文以《利用液晶弹性体纤维仿生构筑人工心肌》（Bioinspired Construction of Artificial Cardiac Muscles Based on Liquid Crystal Elastomer Fibers）为题发表在 Advanced Materials Technologies 上[1]。

图｜相关论文

该论文由清华大学化学系博士王云鹏担任第一作者，副教授杨忠强担任通讯作者。

图｜杨忠强

目前，用人工肌肉材料做刺激反应的实验效果，已经得到业内人士的好评。液晶弹性体作为一种重要的刺激响应材料，在人工肌肉开发层面受到越来越多的关注，这主要归因于外部刺激带来的效应。
譬如，中胚层排列变化导致的显著且可逆的单轴变形，像热、光和电。在人工肌肉中，液晶弹性体材料的驱动是基于微结构单元单畴排列的，如物理等诱导的拉伸、表面感应或外场感应。通过使用肌肉等主动结构单元驱动骨头和结缔结构单元执行多功能任务。
然而，利用晶弹性体纤维模拟心脏，同时收缩和扭转以实现结构决定的跳动功能目前还尚未实现。该研究制备了 LCE 纤维，这不仅扩展了 LCE 作为人工肌肉的应用，而且为构造具有复杂变形的人工肌肉提供了一种通用的策略，以便实现多功能和高要求的任务。
用两步交联法制备晶弹性体纤维
该团队采用“两步交联”的方法，在自制的仪器上进行了晶弹性体纤维的制备。在一个典型的实验中，将第一步合成的部分交联多畴弹性纤维拉伸成单畴弹性纤维，第二步在紫外线照射的条件下固定其单轴排列。
丙烯酸酯和硫醇基团之间的反应形成了部分交联网络，然后通过喷嘴干纺成纤维将得到的多畴不透明 LCE 纤维，按照其初始长度的两倍进行拉伸，以形成透明的单畴状态。
在紫外光照射下，过量的丙烯酸酯基团之间发生自由基聚合，形成第二交联网络，进一步获得单轴排列。

图｜LCE 纤维的结构与热驱动

这种策略可以很容易地与工业干纺仪器相结合，制造无限长的 LCE 纤维。当观察交叉偏振器之间时，单轴排列的 LCE 光纤的双折射明显。
在交叉偏振器显微镜下，LCE 纤维在纤维轴相对偏振器 45° 时最亮，在纤维轴平行于偏振器时完全变暗，表明 LCE 纤维内部排列良好。
晶弹性体纤维可举约自重 4000 倍的重量
为了进一步确定 LCE 纤维的热驱动行为，该团队测量了其不同温度下的 LCE 长度，具体阐述了 LCE 纤维在加热时能自发可逆收缩，在冷却时可以自发可逆膨胀的原理。这种热驱动变形归因于 LCE 网络内的温度诱导相变，实验结果与文献理论是一致的。
随着温度的升高，LCE 纤维在 60℃ 左右开始收缩，在 120℃ 左右对应的长度减小到初始长度的 60 %。此外，LCE 光纤的驱动并不局限于未加载状态，LCE 纤维可以举起 5.7g 的“熊猫”重量，该重量大约是 LCE 纤维自重的 4000 倍，并且通过调节温度来控制举起高度。

图｜由人工心肌驱动的仿生液体循环

结果表明，具有可逆性热驱动的单轴排列 LCE 纤维表现了出色的举重能力。拿着排列良好的 LCE 纤维，该团队接下来评估了 LCE 纤维的性能。从密度、模量、驱动应变、驱动应力、工作密度和比功率 6 个度量指标，与人类肌肉纤维进行比较。
由 LCE 纤维组成的人工心肌通过模拟心肌纤维的构型实现搏动。在人类心脏中，由圆形和螺旋状组成的心肌纤维同时进行收缩和扭转运动。
人工心肌可广泛应用于航空航天和医疗保健等领域
值得一提的是，LCE 的驱动性能还可以进一步调整。例如，可以将驱动温度降低到体温 37℃，通过将柔性聚合物链引入 LCE 网络，可以通过构建相互渗透的双网络来增强其力学性能，这为人工心脏肌肉在体温下的应用提供了潜在的应用前景。
该团队构建的人工心肌可以实现仿生变形和功能。通过“两步交联法”制得 LCE 纤维，其力学性能和工作性能与人体肌肉纤维相当。
人工心肌在复杂的三维结构中表现出优异的变形，这种简单和通用的策略可以进一步扩展到不同规模的不同材料，允许在大范围内构建具有多用途材料特性的人工肌肉，并扩大其作为软机器人在电子、航空航天和医疗保健领域的应用。

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参考：

　　1. Zhongqiang Yang et al. Adv. Mater. Technol. （2021） https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/admt.202100934

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