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  • 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
作者:匿名 时间:2019-10-29 13:29:28:

新民晚报(记者马亚宁)可行走水凝胶、具有自愈功能的人造皮肤、可以通过光控制和驱动内部液体运动的人造血管...这些听起来只存在于科幻世界的奇怪物质,现在已经成为科学家实验室酝酿的“黑色技术”。今天,在上海举行的第335届东方科技论坛聚焦于“人工肌肉材料和生物医学工程应用”的前沿研究。人工韧带、生物力学在骨重建和医疗机器人中的应用,以及一系列最新的研究,如基于液晶弹性体的人工肌肉已经浮出水面。

生物体本身是一个复杂而高度智能的生物系统。即使在科学技术蓬勃发展的今天,处于科学技术前沿的机电系统也无法与最简单的生物系统相匹敌。例如,肌肉作为一种生物可收缩组织,具有信息传递、能量传递、废物清除、能量供应、传递和自我修复的功能,并且一直是研究者开发执行器的灵感来源。然而,早期的人工肌肉一般是由机械装置作为载体,通过复杂的刚性模块连接,需要重型电机和传动装置来驱动,难以应用于微纳工程、生物医学等领域。

近年来,随着新型智能高分子材料的快速发展,人造肌肉的制造和应用也提供了新的发展机遇。这些新型智能材料,如液晶聚合物、水凝胶、电绝缘橡胶和形状记忆聚合物,可以根据外部环境刺激(如电、光、磁、热等)的变化呈现出各种复杂的形态变化。并且表现得非常接近或者甚至比真正的肌肉纤维更好。基于这些性能优异的材料,各种仿生柔性器件相继被制备出来。

从某种意义上说,具有智能、柔性、仿生等特点的智能高分子材料已经成为当代科学发展的热点方向。在中国“十三五”100个重大工程项目中,包含了智能高分子材料的开发,与生物肌肉具有相似运动功能的人工肌肉的开发是该领域的一个重要分支。它在柔性外骨骼、假肢、仿真机器人、变翼飞机、传感器等领域具有重要的研究价值和广阔的应用前景。由于科学界和工业界的不断关注,近十年来,智能高分子材料的研究取得了重大突破,正处于从追求单一功能向智能集成、从基础研究向应用转化的阶段。

在论坛上,清华大学副教授计燕带领他的团队进行了“可多次成型的液晶弹性体”的研究。液晶弹性体在外部刺激下可发生大规模可逆变形,可应用于人工肌肉、软机器人、可穿戴电子设备、介入诊疗微型仪器等领域作为制动器。然而,由于加工和制备的不便,传统液晶弹性体的应用受到限制。通过在传统液晶弹性体中引入动态共价键,研究人员寻求解决液晶弹性体加工的瓶颈。

南开大学化学学院研究员张解珍的研究团队正在研究“基于晶体材料构建新型智能驱动材料”。科学家们首次通过混合基质薄膜的策略将小尺寸有机小分子晶体制备成大尺寸人造肌肉材料,并展示了它们不同的运动模式。同时,研究人员利用聚合物和共价有机骨架(cofs)材料成功构建了一类具有高机械性能的cofs膜,它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。

据报道,中国在智能高分子材料领域的研究整体上已经达到国际先进水平,甚至在高性能分子材料的设计和合成方面具有领先优势。然而,聚合物结构的控制与仿真、柔性仿生执行器的构建及其应用仍然相对薄弱。目前,智能高分子材料在生物医学领域的应用已经成为科学家们新的研究方向,有望实现大规模生产和临床应用。

与会专家纷纷表示,智能高分子材料的研究已经到了从基础研究到应用的关键时期。如何将这些成果与生物医学相结合,解决未来实际应用中的各种科技问题,如韧带和肌腱损伤修复的应用,需要材料、化学、生物医学等领域的深入跨学科合作。

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