基于液晶弹性体和低熔点合金的自感应人工肌肉

再生医学和仿生材料交叉领域的材料科学家和生物工程师寻求开发具有自我感知能力的形状可编程人造肌肉，用于医学应用。在现在发表在《科学进展》上的一份新报告中，刘昊然和交通大学前沿科技研究院的系统与通信工程研究团队受到肌肉、骨骼和神经系统耦合行为的启发哺乳动物和其他生物体在实验室中创建多功能人造肌肉。该结构包含涂有聚多巴胺的液晶弹性体(LCE)和同心管或棒中的低熔点合金(LMPA)。虽然该团队采用外部液晶弹性体来模拟可逆收缩和恢复，但他们实施了内部低熔点合金用于变形锁定和检测阻力力学，分别类似于骨骼和神经功能。人造肌肉展示了一系列性能，包括可调节的弯曲和变形以支撑重物，是设计仿生软设备的直接有效方法。

科学家旨在实现软机器人元件与人类之间的生物相容性，以实现辅助运动和高承载能力;然而，这样的努力具有挑战性。大多数传统机器人仍在工业、农业和航空航天环境中用于基于传感器的高精度承载应用。相比之下，一些功能性软机器人依靠材料来提高人机交互的安全性。因此，软机器人是硬机器人的补充，具有巨大的潜力应用程序。仿生构造还提供了替代灵感来模拟骨骼-肌肉-神经系统，以促进灵活的运动和快速反应或思考，具有独特的体形以适应任务和执行不同的生理功能。在这项工作中，Liu等人受到仿生学这一迷人想法的启发，为智能应用开发多功能人造肌肉。

在实验过程中，该团队通过液晶弹性体(LCE)和同心管或棒形状的低熔点合金(LMPA)赋予了形状可编程、变形锁定和自感应特性。虽然外部弹性体提供可逆的收缩和恢复，但内部合金为肌肉和骨骼的功能提供形状载荷。为了在光照射下实现快速光热转换，该团队在弹性体表面涂上一层聚多巴胺薄膜，并引发收缩和弯曲变形。该过程允许在复杂和未知的环境中使用方便的功能，以创建具有高承载能力和低功耗的可配置形状的人造肌肉，以实现智能功能。

该团队展示了与软弹性体和硬合金材料相结合的多功能肌肉。Liu等人利用与胺和硫醇的迈克尔加成反应制备了液晶弹性体(LCE)，并通过在玻璃管或玻璃棒中的凝胶化形成了松散交联的空心弹性体管。研究人员通过在材料表面形成聚多巴胺层来引入光热效应，以在近红外范围内保持优异的光稳定性和强吸收特性.该团队展示了如何通过将预制低熔点合金(LMPA)嵌入聚合物涂层的LCE管中来开发多功能人造肌肉。然后他们用激光照射人造肌肉的一侧，并在该区域立即将光转化为热量。变形对比分析显示，激光照射后约6秒即刻弯曲，突出了LMPA对肌肉变形优异性能的影响。

将多功能人造肌肉表征为可重构天线

Liu等人使用ABAQUS软件进行了有限元分析并模拟了热源。他们研究了人造肌肉在不同辐射功率下的温度和应力分布。虽然大的辐照功率会在弹性体中引起大的应力，但这进一步引发了人造肌肉合金区域的大弯曲角。该团队通过实验测试和模拟分析了受激光功率、光斑面积和照射时间控制的多功能人造肌肉的弯曲角度。他们展示了如何调节弯曲角度、方向和位置的柔性变形，以增加形成形状可编程人造肌肉的可能性。

该团队通过包括循环测试在内的一系列实验来表征人造肌肉的快速变形和变形锁定性能，以证明其变形能力。他们进一步描述了基于电阻变化实时监测人造肌肉动态行为的传感功能。Liu等人进一步利用了多材料特性，并展示了所提出的多功能人造材料作为可重构天线的应用。在这种情况下，他们通过在人造肌肉表面上应用激光来测量弯曲角度，以用作远程控制的可重构天线。

外表

就这样，刘昊然及其同事利用柔软的弹性体材料与高刚度合金材料相结合，根据活体骨骼、肌肉和神经的行为特征，开发了一种形状可编程、变形锁定和自我感知的人造肌肉。刚性低熔点合金(LMPA)模仿活生物体的内骨骼，以提供结构强度，而由液晶弹性体(LCE)制成的纯软材料提供强大的驱动应力和确保物理相容性以模仿天然肌肉。该研究提供了第一个实例来形成具有上述特征的人造肌肉，其中构造显示出快速的形状转换和变形特性，以产生具有跨触觉显示器应用的概念验证机器人手臂和药。

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