研究背景
人工肌肉能夠在外部刺激下（例如電場、溫度、溼度、壓力、光照等）經歷幾何或尺寸調製的反覆迴圈，從而產生可逆膨脹、旋轉和伸縮等運動，人工肌肉具有體積小巧、柔軟靈活、驅動效率高和效能優異的特點，涉及材料科學、化學工程、機械工程和化學等多學科相互交叉，在下一代軟體機器人、生物啟發系統、植入式醫療強化等方面具有巨大潛力。自20世紀90年代，人工肌肉材料開始受到科學家的廣泛關注，經過幾十年的發展，人工肌肉材料領域蓬勃發展。早期的人工肌肉研究主要是聚焦如何將外部刺激如電能、光能、熱能、化學能向機械能的高效轉化，並實現膨脹、收縮、轉動、彎曲、旋轉等多種運動模式。科學家們透過將一些柔性或導電材料與人工肌肉複合，可以檢測人工肌肉驅動過程中的電容或者電阻值變化，進而實時監測肌肉的形變和收縮情況。儘管這些人工肌肉可以感知自身的形變和運動，但是無法實現感知訊號的自反饋並按需調控自身驅動和運動功能。近些年來，科學家們透過額外整合複雜的電子反饋與控制系統，實現人工肌肉的感知、驅動和反饋一體化。然而，目前報到的智慧人工肌肉存在整合複雜、相容性差、靈敏度不高、驅動和感知訊號相互干擾等諸多問題。液晶彈性體具有大尺度可逆形變、響應力學輸出強、形變可程式設計等突出優點，被公認為製備人工肌肉的理想材料。早在1975年，諾貝爾物理學獎得主Pierre Gilles de Gennes 教授就預言液晶彈性體非常適合用於製造人工肌肉。近年來，國內外學者在液晶彈性體人工肌肉的力學增強和驅動效能最佳化等方面取得重要進展，如何仿生生物體骨骼肌製備具有本徵自感知-驅動-自反饋功能一體化的智慧人工神經肌肉纖維束，是該領域的重大關鍵科學問題。
近日，天津大學封偉教授、王玲教授團隊成功開發了一種具有感知-驅動-自反饋一體化功能的人工神經肌肉纖維束，並探索了其在觸覺感知和膝跳反射等領域的重要應用。作者發明了具有多層核殼結構的超細液晶奈米複合纖維製備新方法，所製備的纖維由液態金屬核心、液晶彈性體驅動層和超薄黏附自增強層組成，纖維直徑與頭髮絲相當；透過超細液晶奈米複合纖維構築的人工肌肉纖維束具有超快的電驅動響應速度和變形特性，在 7.5 V 直流電壓驅動下 0.12 秒內可實現 98%的變形收縮率；該人工神經肌肉纖維束不需要複雜的電子系統整合，不僅具有高精度感知-驅動-自反饋一體化功能，而且驅動訊號和感知訊號完全互不干擾，作者還將神經肌肉纖維束應用於開發觸感人工手指和膝跳反射人工假肢，在智慧織物、人形機器人（假肢）、機械外骨骼以及增強現實等領域具有重要的理論價值和實際應用意義。相關成果以題為“Biomimetic Artificial Neuromuscular Fiber Bundles with Built-In Adaptive Feedback”在國際權威期刊《Matter》上發表。天津大學王玲教授和封偉教授為論文通訊作者，天津大學材料學院博士生陳原浩為論文第一作者，本工作得到了國家重點研發計劃“高階功能與智慧材料”專項、國家自然科學基金和天津市自然科學基金等專案的重點資助。
圖1 人工肌肉的發展和神經肌肉纖維束設計思想
內容簡介
作者提出一種全新的模具旋轉成型纖維製備策略，用於製備具有多層核殼結構的液態金屬-液晶超細纖維。可以透過控制旋轉次數以及旋轉時間精確的定製每根液晶中空纖維的直徑（> 50 µm）以及壁厚（> 10 µm），所製備的最細纖維與頭髮絲的直徑相當，同時透過使用定製的夾具可實現液晶中空纖維的大批次製備（如圖2所示）。作者系統研究了液晶纖維的驅動效能和感測效能與纖維的壁厚的關係，發現隨著液晶纖維的壁厚增加，其驅動輸出力增大（2.5 V電壓），但是液晶纖維的感測靈敏度會降低（如圖2所示）。
圖2具有多層核殼結構的超細液晶奈米複合纖維製備新方法與效能研究
透過進一步化學交聯超細液晶纖維可以製備人工神經肌肉纖維束，其展現出超快的響應速度、大形變率以及高輸出力的特點。當人工神經肌肉纖維束一根纖維施加電壓時，由於纖維束內部各根纖維收縮率的差異性，導致纖維產生捲曲行為，而且這種捲曲行為會隨著電壓的增大更加明顯。雖然這種捲曲行為會由於纖維之間的熱傳導在很短時間內消失，但是它導致人工神經肌肉纖維束的瞬間收縮率大大增加，例如在7.5 V的直流電源下，人工神經肌肉纖維束在0.12 s的時間內瞬間收縮率可達到98%。同時，作者發現人工神經肌肉纖維束具有非常穩定的驅動效能，而且輸出力隨著內部整合的纖維數目增多而增大（如圖3所示）。
圖3 人工神經肌肉纖維束製備策略與電熱驅動效能
由於人工神經肌肉纖維束中每根纖維可以獨立控制，因此纖維束中任意一根纖維都可以作為感測器來檢測電阻的變化，而其他纖維則在直流電壓下可逆地電熱致動，從而使神經肌肉內部獨立的感測和致動通道不相互干擾。當組裝到人工手臂上時，在4.5 V直流電壓的電熱驅動下，神經肌肉纖維束中的一根纖維可以快速收縮，並在6秒內將前臂拉到62毫米的最大高度，該收縮變化可以傳遞給周圍感測纖維，導致感測纖維的電阻訊號發生變化，因此可以產生本體感知（類似人體自身可以感知四肢運動，如圖4所示）；如果將神經肌肉纖維束整合到到人工手指時，不僅可以控制人工手指的運動，還可以實時監測手指彎曲的過程。值得一提的是，所設計的人工手指指尖由一個帶有彈簧和探針的槓桿裝置組成，它可以有效地將外部接觸力傳遞給纖維束的感知纖維，因此可以賦予人工手指超靈敏的觸覺感知能力，可以識別包括凸面、凹面、鋸齒面和平面等不同的表面，最大的解析度可達0.3 mm（如圖4所示）。
圖4 人工神經肌肉纖維束應用於本體感知以及觸覺感知
受生物系統中膝跳反射的啟發，作者將神經肌肉纖維束應用於實現具有超常的自適應反饋特性的人工反射弧（如圖5所示）。作者將纖維束中的所有纖維的電路並聯在一起，因此可以構築人工肌肉內部纖維的感知與驅動互通訊號網路，該纖維束被通入適量的恆定電流後，一旦感知到由外力引起的形狀變形，即可根據外力的大小或者施加壓力的時間產生自適應的收縮，這是由於每個纖維分支中的恆電流重新分配造成的，導致了整體的電熱溫度升高，引起人工神經肌肉纖維束的收縮，因此人工腿就能夠快速向前擺動。最重要的是，整個過程不需要訊號處理的外部控制系統即可實現材料本身的感知-自診斷-驅動的整個過程，而且膝跳反射過程中沒有明顯的延遲，透過增加纖維束中的纖維數量可以增強人工腿能量輸出。這項研究有望為開發具有內建自適應反饋功能的可植入式人工肌肉及其在在下一代軟體機器人、生物啟發系統、植入式醫療強化等領域應用提供全新的思路。
圖5 基於神經肌肉纖維束的工反射弧
通訊作者簡介
王玲，天津大學講席教授，博士生導師，國家重點研發計劃專案負責人，天津市傑出青年基金獲得者和國家海外高層次優秀青年人才。主要致力於功能液晶智慧材料的設計與製備及其在變色隱身、軟體機器人、高速通訊、能源和安全等領域的應用研究。
封偉，天津大學講席教授，博士生導師，國家傑出青年基金獲得者，國家“萬人計劃”科技創新領軍人才和天津市“傑出人才”，天津市首批“131”創新團隊負責人，英國皇家化學會會士（FRSC），日本學術振興委員會JSPS高訪學者，享受國務院政府特殊津貼專家。主要研究方向為功能有機碳複合材料在緻密儲能和智慧熱控等領域的應用及產業化技術研究。
文章資訊：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
全文連結：https://doi.org/10.1016/j.matt.2024.10.022
來源：高分子科學前沿
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