研究背景
人工肌肉能够在外部刺激下（例如电场、温度、湿度、压力、光照等）经历几何或尺寸调制的反复循环，从而产生可逆膨胀、旋转和伸缩等运动，人工肌肉具有体积小巧、柔软灵活、驱动效率高和性能优异的特点，涉及材料科学、化学工程、机械工程和化学等多学科相互交叉，在下一代软体机器人、生物启发系统、植入式医疗强化等方面具有巨大潜力。自20世纪90年代，人工肌肉材料开始受到科学家的广泛关注，经过几十年的发展，人工肌肉材料领域蓬勃发展。早期的人工肌肉研究主要是聚焦如何将外部刺激如电能、光能、热能、化学能向机械能的高效转化，并实现膨胀、收缩、转动、弯曲、旋转等多种运动模式。科学家们通过将一些柔性传感器或导电材料与人工肌肉复合，可以检测人工肌肉驱动过程中的电容或者电阻值变化，进而实时监测肌肉的形变和收缩情况。尽管这些人工肌肉可以感知自身的形变和运动，但是无法实现感知信号的自反馈并按需调控自身驱动和运动功能。近些年来，科学家们通过额外集成复杂的电子反馈与控制系统，实现人工肌肉的感知、驱动和反馈一体化。然而，目前报到的智能人工肌肉存在集成复杂、兼容性差、灵敏度不高、驱动和感知信号相互干扰等诸多问题。液晶弹性体具有大尺度可逆形变、响应力学输出强、形变可编程等突出优点，被公认为制备人工肌肉的理想材料。早在1975年，诺贝尔物理学奖得主Pierre Gilles de Gennes 教授就预言液晶弹性体非常适合用于制造人工肌肉。近年来，国内外学者在液晶弹性体人工肌肉的力学增强和驱动性能优化等方面取得重要进展，如何仿生生物体骨骼肌制备具有本征自感知-驱动-自反馈功能一体化的智能人工神经肌肉纤维束，是该领域的重大关键科学问题。
近日，天津大学封伟教授、王玲教授团队成功开发了一种具有感知-驱动-自反馈一体化功能的人工神经肌肉纤维束，并探索了其在触觉感知和膝跳反射等领域的重要应用。作者发明了具有多层核壳结构的超细液晶纳米复合纤维制备新方法，所制备的纤维由液态金属核心、液晶弹性体驱动层和超薄黏附自增强层组成，纤维直径与头发丝相当；通过超细液晶纳米复合纤维构筑的人工肌肉纤维束具有超快的电驱动响应速度和变形特性，在 7.5 V 直流电压驱动下 0.12 秒内可实现 98%的变形收缩率；该人工神经肌肉纤维束不需要复杂的电子系统集成，不仅具有高精度感知-驱动-自反馈一体化功能，而且驱动信号和感知信号完全互不干扰，作者还将神经肌肉纤维束应用于开发触感人工手指和膝跳反射人工假肢，在智能织物、人形机器人（假肢）、机械外骨骼以及增强现实等领域具有重要的理论价值和实际应用意义。相关成果以题为“Biomimetic Artificial Neuromuscular Fiber Bundles with Built-In Adaptive Feedback”在国际权威期刊《Matter》上发表。天津大学王玲教授和封伟教授为论文通讯作者，天津大学材料学院博士生陈原浩为论文第一作者，本工作得到了国家重点研发计划“高端功能与智能材料”专项、国家自然科学基金和天津市自然科学基金等项目的重点资助。
图1 人工肌肉的发展和神经肌肉纤维束设计思想
内容简介
作者提出一种全新的模具旋转成型纤维制备策略，用于制备具有多层核壳结构的液态金属-液晶超细纤维。可以通过控制旋转次数以及旋转时间精确的定制每根液晶中空纤维的直径（> 50 µm）以及壁厚（> 10 µm），所制备的最细纤维与头发丝的直径相当，同时通过使用定制的夹具可实现液晶中空纤维的大批量制备（如图2所示）。作者系统研究了液晶纤维的驱动性能和传感性能与纤维的壁厚的关系，发现随着液晶纤维的壁厚增加，其驱动输出力增大（2.5 V电压），但是液晶纤维的传感灵敏度会降低（如图2所示）。
图2具有多层核壳结构的超细液晶纳米复合纤维制备新方法与性能研究
通过进一步化学交联超细液晶纤维可以制备人工神经肌肉纤维束，其展现出超快的响应速度、大形变率以及高输出力的特点。当人工神经肌肉纤维束一根纤维施加电压时，由于纤维束内部各根纤维收缩率的差异性，导致纤维产生卷曲行为，而且这种卷曲行为会随着电压的增大更加明显。虽然这种卷曲行为会由于纤维之间的热传导在很短时间内消失，但是它导致人工神经肌肉纤维束的瞬间收缩率大大增加，例如在7.5 V的直流电源下，人工神经肌肉纤维束在0.12 s的时间内瞬间收缩率可达到98%。同时，作者发现人工神经肌肉纤维束具有非常稳定的驱动性能，而且输出力随着内部集成的纤维数目增多而增大（如图3所示）。
图3 人工神经肌肉纤维束制备策略与电热驱动性能
由于人工神经肌肉纤维束中每根纤维可以独立控制，因此纤维束中任意一根纤维都可以作为传感器来检测电阻的变化，而其他纤维则在直流电压下可逆地电热致动，从而使神经肌肉内部独立的传感和致动通道不相互干扰。当组装到人工手臂上时，在4.5 V直流电压的电热驱动下，神经肌肉纤维束中的一根纤维可以快速收缩，并在6秒内将前臂拉到62毫米的最大高度，该收缩变化可以传递给周围传感纤维，导致传感纤维的电阻信号发生变化，因此可以产生本体感知（类似人体自身可以感知四肢运动，如图4所示）；如果将神经肌肉纤维束集成到到人工手指时，不仅可以控制人工手指的运动，还可以实时监测手指弯曲的过程。值得一提的是，所设计的人工手指指尖由一个带有弹簧和探针的杠杆装置组成，它可以有效地将外部接触力传递给纤维束的感知纤维，因此可以赋予人工手指超灵敏的触觉感知能力，可以识别包括凸面、凹面、锯齿面和平面等不同的表面，最大的分辨率可达0.3 mm（如图4所示）。
图4 人工神经肌肉纤维束应用于本体感知以及触觉感知
受生物系统中膝跳反射的启发，作者将神经肌肉纤维束应用于实现具有超常的自适应反馈特性的人工反射弧（如图5所示）。作者将纤维束中的所有纤维的电路并联在一起，因此可以构筑人工肌肉内部纤维的感知与驱动互通信号网络，该纤维束被通入适量的恒定电流后，一旦感知到由外力引起的形状变形，即可根据外力的大小或者施加压力的时间产生自适应的收缩，这是由于每个纤维分支中的恒电流重新分配造成的，导致了整体的电热温度升高，引起人工神经肌肉纤维束的收缩，因此人工腿就能够快速向前摆动。最重要的是，整个过程不需要信号处理的外部控制系统即可实现材料本身的感知-自诊断-驱动的整个过程，而且膝跳反射过程中没有明显的延迟，通过增加纤维束中的纤维数量可以增强人工腿能量输出。这项研究有望为开发具有内置自适应反馈功能的可植入式人工肌肉及其在在下一代软体机器人、生物启发系统、植入式医疗强化等领域应用提供全新的思路。
图5 基于神经肌肉纤维束的工反射弧
通讯作者简介
王玲，天津大学讲席教授，博士生导师，国家重点研发计划项目负责人，天津市杰出青年基金获得者和国家海外高层次优秀青年人才。主要致力于功能液晶智能材料的设计与制备及其在变色隐身、软体机器人、高速通信、能源和安全等领域的应用研究。
封伟，天津大学讲席教授，博士生导师，国家杰出青年基金获得者，国家“万人计划”科技创新领军人才和天津市“杰出人才”，天津市首批“131”创新团队负责人，英国皇家化学会会士（FRSC），日本学术振兴委员会JSPS高访学者，享受国务院政府特殊津贴专家。主要研究方向为功能有机碳复合材料在致密储能和智能热控等领域的应用及产业化技术研究。
文章信息：
Yuanhao Chen, Cristian Valenzuela, Yuan Liu, Xiao Yang, Yanzhao Yang, Xuan Zhang, Shaoshuai Ma, Ran Bi, Ling Wang*,Wei Feng*. Biomimetic Artificial Neuromuscular Fiber Bundles with Built-In Adaptive Feedback. Matter, 2025,
DOI: 10.1016/j.matt.2024.10.022
全文链接：
https://doi.org/10.1016/j.matt.2024.10.022
来源：高分子科学前沿
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