人工肌肉材料“黑科技”正在浮出水面 中国智能高分子材料研究国际领先

　　新民晚报讯（记者 马亚宁）可行走的水凝胶，具有自愈合功能的人造皮肤，可光控驱动内部液体运动的人工血管……这些奇奇怪怪的物质，听上去只能存在于科幻世界，如今却成了科学家实验室里酝酿着的“黑科技”。今天，在沪举行的第335期东方科技论坛聚焦“人工肌肉材料与生物医学工程应用”的前沿研究。人工韧带，生物力学在骨重建与医用机器人中的应用，液晶弹性体基人工肌肉等一系列最新研究浮出水面。

　　生物体本身就是一种复杂而又高度智能的生物系统，即使在科学技术蓬勃发展的今天，科技前沿的机电系统也无法媲美最简单的生物体系统。例如肌肉，作为生物学上可收缩的组织，具有信息传递、能量传递、废物排除、能量供给、传动以及自修复功能，一直以来就是研究者开发驱动器灵感的来源。但早期的人工肌肉一般以机械装置作为载体，通过复杂的刚性模块连接构成，并且需要笨重的马达与传动装置进行驱动，难以在微纳工程以及生物医学等领域得到应用。

　　近年来，随着新型智能高分子材料的快速发展，为人工肌肉的制造及应用提供了新的发展契机。这些新型智能材料，如液晶高分子、水凝胶、电绝缘橡胶以及形状记忆高分子，可根据外部环境刺激例如电、光、磁、热等变化呈现出各种复杂的形态变化，行为非常接近甚至优于真正的肌肉纤维。基于这些具有优异性能的材料，人们陆续制备出各种仿生柔性器件。      

　　从某种意义上来说，拥有智能、柔性、仿生等特点的智能高分子材料，己成为当代科学发展的热点方向。在我国发布的“十三五”百大工程项目中，将发展智能高分子材料囊括其中，开发具有与生物肌肉相似运动功能的人工肌肉是该领域的重要分支。它在柔性外骨骼、假体、仿真机器人、变翼飞行器、传感器等领域具有重要的研究价值和广阔的应用前景。得益于科学界及产业界的持续关注，智能高分子材料的研究在过去十年中获得重要突破，正处于从追求单一功能向寻求智能化集成、从基础研究向应用转换的阶段。

　　论坛上，清华大学副教授吉岩带来所在团队正在进行的“可多次塑型的液晶弹性体”研究。液晶弹性体能够在外界刺激下，发生大幅度的可逆形变, 既可应用于人工肌肉，又可作为制动器应用于软机器人、可穿戴电子器件和介入诊疗微器械等领域。但是传统的液晶弹性体，因加工制备不便，应用受到了诸多制约。研究人员通过将动态共价键，引入到传统的液晶弹性体中，寻求解决液晶弹性体的加工瓶颈。

　　南开大学化学学院研究员张振杰科研团队，正在研究“基于晶态材料构筑新型智能驱动材料”，科学家首次将小尺寸的有机小分子晶体，通过混合基质膜的策略制备成大尺寸的人工肌肉材料，并展示了其多变的运动方式。同时，科研人员还利用高分子与共价有机框架(COFs)材料复合，成功构建了一类具有高机械性能的COFs膜，不仅可以作为高效分离膜，还可以作为人工肌肉进行复杂的运动行为。

　　据介绍，我国在智能高分子材料领域的研究整体达到国际先进水平，在高性能分子材料设计、合成方面甚至具备领先优势。但是，在高分子结构的控制与仿真，构建柔性仿生执行器及其实用化方面，还相对薄弱。目前，智能高分子材料在生物医学领域的应用成为科学家们研究的新方向，并且有望实现大规模化生产和临床应用。

　　与会专家纷纷表示，智能高分子材料的研究已到达从基础研究向应用转化的关键时期，如何将这些成果与生物医学相结合，解决未来实际应用中面临的各种科学和技术问题，如在韧带和肌腱损伤修复领域等的应用，需要材料、化学、生物医学等领域多学科深度交叉合作。