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超级“人造肌肉”问世,可提起超自重一万倍以上重量

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发表于 2021-06-10 00:44 | 显示全部楼层 |阅读模式
https://mbd.baidu.com/newspage/data/landingsuper?context=%7B%22nid%22%3A%22news_8651088663901174335%22%7D&n_type=0&p_from=1


20 毫克的样品,直接挂载 205 克的总重量上,当应变达到 30% 时,居然可以举起超自重一万倍以上的重物。人造肌肉材料在执行器、机器人和医疗器械中的应用,可谓超乎人类想象。

近日,广东工业大学邱学青教授、华南理工大学化学与化工学院副研究员刘伟峰团队使用易于获得的原材料,向科学界展示了制造智能材料的简易方法,这引起了人们对人造肌肉材料开发的巨大兴趣。5 月 18 日,相关论文以《基于牺牲协调网络和机械训练过程的仿生高性能人造肌肉》(“”)为题发表在在《自然通讯》() ,该研究为大规模制造人造肌肉材料提供了新思路。



大胆猜想,让橡胶链段实现类似肌肉的自增强效果

据了解,刘伟峰拥有多年烯烃聚合反应工程研究经验,受天然高分子中动态配位键的启发,他开始研究木质素生物质填料与橡胶界面的相容性、以及复合材料力学性能的提高。在高分子材料中,类似纤维素、壳聚糖的生物质很多,为何该团队对木质素“情有独钟”?对此,刘伟峰告诉 DeepTech:“研究纤维素的人很多,壳聚糖也被人们研究得很透彻,那些分子链结构、性能功能都比较明确。惟独木质素还有很多尚未确定之处,于是,我从高分子材料角度对木质素进行关注。”另外,刘伟峰之前还做过一些形状记忆高分子的研究,于是他联想到,也许橡胶里面构建的界面动态配位键对形状记忆功能会有影响。在木质素改性三元乙丙橡胶体系里面,木质素与橡胶构建了配位键,借此提高了界面作用力,配位键对于橡胶链段的约束作用也得到了相应提高。“假如结合这个类似肌肉的机械训练过程,也许可以进一步强化界面配位键对橡胶链段的约束作用。那么,是否可以让橡胶链段像肌肉一样发生局部取向,从而实现类似肌肉的自增强效果呢?” 这是刘伟峰的一个大胆猜想。基于该思路,刘伟峰团队展开实验进行验证,结果发现,机械训练结合相界面配位键的策略,不仅赋予了橡胶有机械训练增强应变硬化的特征,还提高了木质素作为形状记忆材料的执行力和执行应变,远远超出了他们之前的设想。探究高性能人造肌肉的巨大潜能

生物质木质素是自然界中最大的芳香生物聚合物,富含含氧极性官能团,可作为天然的配体构建界面配位键。在硫化过程中,EPDM(ethylene-propylene-diene monomer,乙烯 - 丙烯 - 二烯烃单体三元共聚物) 中的不饱和双键可与甲基丙烯酸锌中的双键发生反应,从而生成具有功能性甲基丙烯酸酯修饰的 EPDM





基于 EPDM 人造肌肉材料的制备示意图

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 楼主| 发表于 2021-06-10 00:46 | 显示全部楼层

RE: 超级“人造肌肉”问世,可提起超自重一万倍以上重量

研究结果表明,界面动态配位键和木质素协同配位增强,为高性能弹性体复合材料中木质素的利用提供了方向。所制备的木质素改性EPDM基弹性体复合材料呈现典型的应变适应性硬化,与骨骼肌的机械性能相匹配,具有不错的自增强效果,显示出人造肌肉材料的巨大潜力。刘伟峰告诉 DeepTech,此前文献里很少看到 “双级模量增强现象” 的相关报道,而 “我们觉得这个现象挺有意思,所以就把双级模量增强现象作为专题,与团队做了较为详细的讨论,并且做了简单的理论模拟。”他进一步说道,“我们简单假设木质素生物质的橡胶体系由三重交联网络组成:一是橡胶链段的缠结、微晶、部分填料形成的物理交联网络;二是由共价键形成的共价交联网络;三是由填料和橡胶之间界面配位键形成的动态化学交联网络。”为了研究协调键对机械训练性能的影响,研究人员通过对 250 个周期 300% 应变的机械训练进行对照。经过机械训练以后,橡胶的一些局部链段取向可被配位键固定下来,一些松散的物理交联网络则会通过训练过程被破坏。但在机械训练之后,化学交联网络基本没有发生明显改变。经过机器训练之后,样品再次经历拉伸时,最初在低应变区松散的物理交联网络结构提供了比较低的弹性模量;当这个应变增大到一定的临界值时,松散的物理交联网络被相应地拉紧。对此,刘伟峰做了个形象的比喻,“就像一个松散的渔网,受到一定的应力应变之后会被拉紧。”这就是说,在被拉紧之后,应力开始传递到由界面配位键形成的动态交联网络。相当于渔网在拉伸的时候,应力逐渐传播到网络的节点上。此刻,应力传递到由界面配位键形成的动态交联网络上,配位键就发生了集中断裂。这个过程可以大幅度地耗散能量,从而让弹性模量出现首次迅速增加。当这个配件集中断裂以后,橡胶链段跟木质素填料之间的作用力减弱,这会让橡胶链段开始在填料表面产生滑移。此时,会使得弹性模量降低,这就造成了第一次模量增加之后,应力应变曲线上出现一个模块类似于 S 型的转变。“当继续增大这个应变的时候,由化学交联网络固定的橡胶链段,会发生取向结晶,这个取向结晶是由三元乙丙橡胶本身链段结构特征所决定的,它能够发生取向结晶,这就导致了第二次弹性模量的增加,这样就形成了双极模量增强的现象。” 刘伟峰说。





人工肌肉材料的理论模拟图



简言之,动态配位键在弹性体复合材料中经历了破坏和重建,不仅在机械训练后稳定了沿前拉伸方向的局部链段方向,而且有效消耗了能量,促进了取向结晶,从而可赋予材料强大的自增强和应变适应性硬化性能。人造肌肉可提起超自重 10000 倍以上的重量

从人工肌肉材料的制备角度来看,木质素生物质大的优势是该研究所用的试验做法非常简单,所需原料也很普遍,传统橡胶加工就可实现大批量制备。其次,从生物质利用的角度来看,这不仅为传统弹性体材料的智能化提供了一种方法,而且为木质素等工业生物质资源的高价值利用提供了方向。传统人工肌肉很难兼顾机械训练自增强、应变硬化、智能驱动等这些综合特征,而本次方法相对简单,通过机械训练结合动态配位键,即可制备出综合性能较好的人工肌肉材料,这也是该团队的核心优势。据悉,本次材料的可逆驱动应变可达到 41%,这是目前在基于聚烯烃的驱动材料中获得的最大值,并且其执行应力可达 1.5 MPa,是人体骨骼肌的 4 倍(0.35 MPa)。

值得注意的是,为了检查基于 EPDM 的人造肌肉材料的潜在应用,测试样品被连接到挂载 200 克负重的木偶手臂上,以作为人类骨骼肌肉的模拟。当 20 毫克的样品直接挂载 205 克的总重量时(相当于自身重量的一万倍以上),它可以重复地将其上下提升30% 的应变。

科研艰辛,但坚持更燃

刘伟峰告诉 DeepTech,从人工肌肉研究的方向来看,如何把机械训练自增强、应变硬化和智能驱动集成到单一的合成材料里面,采用一种简单的方法来制备,这是他们面临的巨大挑战。主要体现在两方面:其一,不管是从合成角度还是从加工制备方面,都是比较复杂的工程。其二,从产品性能上来讲,难以真正去模仿人体肌肉的特征。目前,部分已经商业化的产品,大多数主要通过机械、微电子等方面的工程设计来实现某些功能,而源于材料本身的智能化程度还比较欠缺。

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 楼主| 发表于 2021-06-10 00:47 | 显示全部楼层

RE: 超级“人造肌肉”问世,可提起超自重一万倍以上重量





刘伟峰


实验中面临的困难还挺多的,因为我们做生物质高分子复合材料,生物质的原料来源还是不稳定,特别是木质素的来源、结构、物性等都存在不确定性。另外,像三元乙丙橡胶这样的弹性材料,结构如何选择,能否达到预期的实验效果,需要我们做大量的试验,只有把材料的性能优化到预期效果,才能把三元乙丙橡胶的功能展现出来。”他还表示,很多时候科研之难并非仅仅来自科研本身,投稿被拒也是 “家常便饭”。不过,刘伟峰有自己的一套解压办法:实验方面的问题,他会跟学生一起讨论、一起观察实验现象,然后找原因、解决问题。他告诉 DeepTech,偶尔也会跳出科研的氛围去看看电影,如果实在太累,就回去睡一觉休息一下。刘伟峰认为,这样缓解压力特别好,是正向的循环。


图丨刘伟峰读博期间在实验室(来源:受访者)其实,推动刘伟峰克服科研困难的,源自于他内心的成就感。一是科研本身。当学生通过一些实验把自己的预设或方案验证出来,成就感就会油然而生。二是在科研以外,即对学生的培养。“他们通过科研训练获得一定的成长,能够得到好的结果,进而有收获及成就感。作为他们的老师,远比自己获得的科研成果更有成就感,” 刘伟峰说道。尝试光远程驱动,探究工业废弃生物质资源再利用

谈及该领域的未来发展,他认为生物质利用是未来趋势,尤其是国家相关政策要求 “碳达峰与碳中和”,而生物质利用正好可以减少碳排放,这是碳减排方向比较贴合的研究方向。其表示:“如果能把一些生物质利用起来与传统高分子结合,就可减少传统高分子的用量,同时也可以提高生物降解性能及生物质的价值。”在他看来,该研究主在应用层主要有两方面提现,一是利用动态配位键和机械训练结合,实现对橡胶链段的局部稳定取向。二是应用在一些功能性绿色高分子复合材料制备中,为工业废弃生物质资源再利用提供了方向。刘伟峰表示,单纯从人工肌肉的角度来讲,在室温下的驱动应力或驱动应变还有很大的提升空间。

他们团队接下来将尝试光远程驱动,从功能拓展这方面去继续深入研究,希望驱动执行应力和执行应变的提升,进一步与机械微电子的团队合作,结合复合材料的外观结构设计,最终确认是否能提升它的材料性能。未来,刘伟峰希望在生物质与高分子复合材料方面继续做下去,利用生物质制备高性能的高分子材料,或者高功能性的高分子复合材料。

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发表于 2021-06-10 11:04 | 显示全部楼层
动力外骨骼的好搭档啊
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发表于 2021-06-10 15:52 | 显示全部楼层
这个厉害了。
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发表于 2021-06-10 17:09 | 显示全部楼层
看不懂
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