高负载快速驱动的自修复水凝胶/螺旋纤维束复合材料人工肌肉研究

Artificially mimicking natural muscles is a hot research direction in the cross domain of materials and physics sciences. Helical fiber artificial muscles have the advantages of quick environment respond with high-load, but have no bio-affinity and self-healing abilities; Hydrogel artificial muscles have the properties of bio-affinity and multi-environmental responses, but it’s difficult to have the ability of high-speed actuation with high-load. This project proposes that new artificial muscle is prepared by in-situ polymerization from hydrogel/ hierarchically helical fiber bundle composite materials, in which polymer hydrogel simulates the self-healing sheath and hierarchically helical fiber bundle simulates the fascicle. From research on the effect laws of multi-scale structural parameters of hydrogel/ helical fiber bundle composite material and environmental factors on the actuation ability of the artificial muscle, the high-loading and high-speed responding mechanism will be investigated at thermal- and pH- response actuations; meanwhile, from investigating the effects of hydrogel’s molecular structure, intermolecular interaction, and composite’s interface on the self-healing behavior during the actuation of artificial muscle, damage—actuated deformation—dynamic self-healing mechanism of artificial muscle by composites will be revealed. Finally the artificial muscle will achieve the properties of self-healing and bio-affinity similar with bio-muscles, and the ability of high-speed actuation at high-loading. This research will supply more experimental and theoretical basis of development and study of artificial muscle by composites.

人工模仿自然界生物肌肉是材料和物理科学交叉领域的研究热点。螺旋纤维式人工肌肉具有高负载快速驱动的优点，但缺少生物亲和性和自修复功能；水凝胶体系人工肌肉具有高生物亲和性和环境响应多样性，但难以实现高负载快速驱动。本项目提出以水凝胶模仿具有自修复功能的结缔组织，以多级螺旋纤维束模仿肌束，原位聚合制备新型水凝胶/多级螺旋纤维束复合材料人工肌肉。通过研究水凝胶/螺旋纤维束复合材料多尺度结构参数和环境因素对其驱动能力的影响，探明热驱动和pH值响应驱动下复合材料人工肌肉的高负载快速响应机制；同时，考察凝胶分子结构、分子间相互作用和复合材料界面等因素对人工肌肉驱动过程中自修复行为的影响，揭示复合材料人工肌肉的损伤--驱动形变--动态自修复的机理。最终实现人工肌肉与生物肌肉相似的自修复和生物亲和性，并实现高负载快速驱动功能。为进一步开展复合材料人工肌肉的研究开发提供理论和实验参考。

针对大驱动力快速驱动的多级螺旋纤维式人工肌肉不具备自愈合性能、水凝胶人工肌肉驱动速度和/或驱动力低的不足、形状记忆聚合物人工肌肉材料不具备可逆循环性等问题，拟制备出同时具有高载荷、快速自修复和快速环境刺激响应能力的新型复合材料人工肌肉。本项目分别利用聚己内酯“微晶”可逆嵌段、液晶可逆嵌段、氢键和π-π分子间相互作用构成的链段间微相分离，以及纳米材料多尺度复合，实现聚合物和复合材料人工肌肉的快速环境响应和高力学强度，从而分别制备了高负载快驱动形状记忆聚合物人工肌肉材料和多重环境响应的可逆循环高能量密度形状记忆人工肌肉复合材料。驱动性能最优的人工肌肉复合材料的热响应时间为毫秒级，其能量密度为人体骨骼肌能量密度的46.51倍、功率密度的26.6倍、应变的6.9倍。体系中引入偶氮苯分子后，在100℃时具有自愈性，可以在30s内完成紫外光触发和近红外光驱动恢复的循环，建立了相应的自修复和驱动模型。这两种人工肌肉材料可应用于空间可展开机构、软机器人和智能皮肤等技术领域。同时制备了具有聚多巴胺包覆的镓铟合金液态金属（PDA-EGaIn）纳米液滴梯度分布的热响应水凝胶，可调控其驱动方式，基于PDA-EGaIn对热传导和水阻塞机理，实现单向变形或双向变形，可重复多次驱动而不产生明显的疲劳损伤。制备的水凝胶的单向弯曲/双向弯曲行为用于制造温度可控的多功能驱动器，水凝胶基抓取装置和千斤顶等，以捕获/释放和提升/降低物体。设计的液态金属（LM）梯度分布材料提供了解决LM和有机材料之间不相容性的方法。获得液态金属梯度分布的水凝胶复合材料人工肌肉可应用于软机器人和多功能驱动装置的组成部分。