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近期，北京航空航天大學劉明杰教授團隊提出了一種收到生物骨骼肌啟發的有機水凝膠人工肌肉。骨骼肌主要通過多個肌纖維的收縮產生力，而里的方向則通過筋膜來限制統合。根據這一原理，劉明杰教授團隊采用了一種含有定向親水響應網絡和親油約束網絡協同結合的水凝膠材料（OAH）制備人工肌肉。這種水凝膠的人工肌肉的收縮主要通過疏水微區的方向性網絡變形來驅動的，相比傳統利用體積變化驅動的水凝膠人工肌肉，這種策略可以避免溶劑擴散帶來的限制。因此這種水凝膠人工肌肉的致動頻率為0.11赫茲，是傳統的溶劑擴散驅動的水凝膠人工肌肉（<10-3赫茲）的110倍，并且可以舉起超過自身重量的85倍。該工作以題為“High-performance organohydrogel artificial muscle with compartmentalized anisotropic actuation under micro-domain confinement”的文章發表于Advanced Materials上。

OAH人工肌肉的制備方法及性能

通過模擬骨骼肌的結構和驅動機制，該文所提出的水凝膠主要通過異質網絡的協調來調節體積相變過程中的溶劑擴散。通過兩親性溶劑溶脹法將聚（甲基丙烯酸十桂酯）（PLMA）組成的親油網絡滲透到聚（n-異丙基丙烯酰胺）（PNIPAM）水凝膠中。所得到的OHA包含一個定向的親水網絡作為響應單元，對應于肌絲；以及一個彈性的親油網絡作為約束網絡，對應于筋膜當。OAH人工肌肉加熱到較低的臨界溶液溫度（LCST）以上時，PNIPAM網絡由親水變為疏水，使得PNIPAM網絡中的水脫出。相互滲透的PLMA網絡在水的疏水相互作用下聚集，形成疏水相。PLMA相和坍縮PNIPAM可以共同形成致密疏水層，限制溶劑在微疇內的擴散，使得水保持在水凝膠內，因此增加了水凝膠人工肌肉的響應速度。

為了比較機理的差異，文中主要采用類似的具有雙親水網絡水凝加（HA）作為對照。通過刺激響應伸縮實驗，結果表明，OHA的收縮過程為3.2 s ± 0.5 s，延伸過程為6.0s±0.9s，而HA的速度更低(收縮過程為60 s ± 10 s，延伸過程為360 s ± 30 s)。并且隨著親油網絡含量的增加，驅動頻率從2×10-3 Hz增加到2×10-1 Hz。相比之下，HA的驅動頻率（2×10-3 Hz）遠低于所有OHA樣本。

我們研究了親油網絡含量對驅動強度的影響。在熱水中浸泡（60℃）后，所有樣品迅速達到最大驅動強度，隨后由于聚合物弛豫而緩慢下降。OHA的驅動強度隨著親油網絡含量增加而增加（從21.7 kPa上升47.3 kPa）。以上實驗表明，驅動強度源于各向異性網絡，親油網絡的含量影響其維持取向的能力。低親油網絡含量的OHA難以維持PNIPAM的取向，導致驅動強度下降。然而，過量的親油網絡也阻礙了響應網絡的收縮。

OAH人工肌肉快速響應機理解釋

通過染料對親油網絡進行標記。圖像顯示了微觀尺度上的異質網絡的結構，親油網絡的形狀從15℃時的條帶狀（長度10-100 μm，寬度1-20 μm）到60℃時的球狀狀（直徑1-30μm）。考慮到宏觀OHA與條帶到球狀體的應變差異，親油相的構象變化可能源于聚集過程中PNIPAM的分裂。這說明彈性親油網絡在PNIPAM壓縮下可以存儲能量，而彈性能量在粘性網絡中耗散，儲存的能量隨后將被釋放，似于筋膜的延伸過程。

小結：該文提出了一種通過結合異質網絡制備高速、高驅動強度、大尺寸的水凝膠人工肌肉的方法。這種水凝膠的快速響應主要歸因于親油網絡的軟約束效應，主要效應包括通過形成疏水致密層，將溶劑限制為微疇；確定PNIPAM網絡的變形方向，定向集中驅動力和儲存彈性能量，以協助伸長過程。這種OHA的變形機理可以為提高水凝膠人工肌肉驅動性能提供更多的空間，擴大了其應用范圍。