MIT赵选贺教授、林少挺博士在《自然·纳米技术》

作者：张馨予

随机分布的无定形聚合物链赋予了传统软材料（包括水凝胶和弹性体）柔软性和可变形性。然而，无定形聚合物链也导致了材料的低韧性、低疲劳阈值和抗拉强度较差等机械性能，这极大地限制了软材料的应用范围。增强软材料机械性能的有效方法是设计纳米结构，例如软材料中的纳米晶域。这其中的一项关键挑战是精确设计软材料中纳米晶域的尺寸、密度和空间分布。《自然·纳米技术》（Nature Nanotechnology）期刊2022年6月2日以“Nanostructured artificial-muscle fibres”为题发表了麻省理工学院机械工程系赵选贺教授团队受邀撰写的评述文章，第一作者为课题组博士后林少挺。

赵选贺课题组结合前期研究进展，特别根据2022年6月2日以题为“Nanostructured block copolymer muscles”在《自然·纳米技术》在线发表的宾夕法尼亚大学Robert J. Hickey教授的最新研究成果进行了专题评述，重点介绍了在软材料纤维中设计纳米结构的一个关键步骤。哺乳动物骨骼肌纤维利用有序的纳米结构（例如交替的I带和A带）来实现高驱动应力、驱动应变和韧性。Robert J. Hickey教授团队采用两步应变可编程结晶方法来实现具有良好控制的交替纳米晶和无定形域的纳米结构纤维，模拟肌肉纤维中的交替I带和A带。第一步是利用快速注射法触发亲水性聚环氧乙烷（PEO）和疏水性聚苯乙烯（PS）的自组装，形成由ABA型三嵌段共聚物制成的水凝胶纤维。第二步是使水凝胶纤维以特定的伸长率机械变形，然后进行空气干燥，这进一步在PEO中诱导结晶，并具有可控的纳米晶域形态。通过X射线散射表征，作者展示了量化纤维中结晶度、纳米晶域之间的间距和纳米晶域取向的能力。所得纳米结构人造肌肉纤维同时具有高驱动应力（高达5.5 MPa）、驱动应变（高达80%）、驱动效率（高达75.5%）、韧性（高达121.2 MJ/m 3）和拉伸强度（高达150 MPa）。

图1：纳米结构的人造肌肉纤维具有非凡的机械和驱动性能

赵选贺课题组指出，尽管该工作证明了有希望的驱动响应，但在充分发挥纳米结构人造肌肉纤维的潜力之前，仍存在一些挑战。1)纤维的驱动时间对特定刺激敏感。例如，当受到热时，驱动时间由纤维的导热率决定；当暴露于水蒸气时，启动时间取决于水在纤维中的扩散率。2)尚未开发出量化模型来优化纤维的驱动性能；纤维的设计遵循爱迪生的方法。3）人造肌肉纤维的制造依赖于纤维的极大机械变形，显着限制了在有限空间内的制造。

除Robert J. Hickey教授团队之外，也有其他工程师和科学家描述了其他几种类型的纤维状人造肌肉。所有这些努力都正在推动这个新兴领域向前发展。