自我恢復的人造肌肉

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材料學家們都想研發出想肌肉一樣有驚人能力的材料，它可以根據命令收縮，可以拉伸70%的體積而不受傷害，可以恢復劃痕和撕裂傷口。現在，研究人員說，他們就快要製造出一種合成材料，它滿足了以上一切的要求，雖然和天然肌肉還有差距。這項進展終有一日能用於製造機器人和假肢。

人工肌肉這個概念的出現可以追溯到幾十年前。研究人員提出了許多不同的材料，從像原子一樣薄的碳管，即碳納米管到陶瓷-金屬合金。2000，科學家發現一些像橡膠的聚合物，即彈性體，只要給它們施加電壓，它們可以可逆地拉伸至原長度的三倍。然而，和其它所有的合成材料一樣，若這些彈性體壞掉了，就需要修理。在其它的領域中，科學家使用彈性體作為自我修復材料的基礎——可以修復撕裂的口子，把孔封上，甚至可以將切開的斷面再次粘起來。然而，大多數這些材料的強度較弱，缺乏彈性，很難滿足人工肌肉的要求。而且，沒有人能產生一種可以自我修復的人造肌肉。

但是現在有人做出來了！在帕洛阿爾托，加利福尼亞斯坦福大學的材料化學家Zhenan Bao和同事開發了一種稱為鐵- Hpdca-聚二甲基硅氧烷（Fe-Hpdca-PDMS）的彈性體，他們把研究結果發布在《自然-化學》上。該材料有長的、隨機纏結的聚合物鏈，有硅、氧、氮、碳原子和鐵鹽。在聚合物中，鐵與氧原子、氮原子形成化學鍵，將聚合物鏈自己和自己、彼此之間交織在一起，就像繩子之間用彈性物質連接一樣。這些交聯鍵不會阻止聚合物鏈的移動，所以材料可以被拉伸。但這些交聯鍵能防止聚合物鏈完全自由地滑動。在材料的形狀改變時，交聯鍵就會被拉伸，扭曲，有時會被打斷並構成新的鍵。當停止拉伸材料時，交聯鍵就會返回到原來的形狀，使材料的既有強度又有彈性。

然後是自我修復的問題。如果在材料上戳了一個洞，那麼在洞的另一側，鐵原子就被氧原子和氮原子所吸引，並在72小時內構成新的鍵，使這個洞恢復原樣。甚至當研究人員把聚合物材料切分成兩塊後，再將這兩塊放在一起，兩個斷面還是能夠完美地再次合在一起，即使在零下20度的環境中，恢復後的材料還能具有之前的強度和90%的延展性。

當研究者在聚合物上施加電場時（類似於肌肉組織被激活），材料的長度迅速增加約2%。當電場被關閉時，材料就會返回到它的原始大小。

該材料的一個顯著的弱點是，在電場作用下，它改變形狀的能力就變小了。即使該材料通常可以拉伸到它的原始長度的45倍，並恢復到它的原始形狀，但當有電場時，它的形變能力遠小於真正的肌肉（降低了40%）。這將意味著，用這種材料製造的機器人的腿不能像人一樣自然彎曲。

「在我們的研究中，我們的目標不是製造最好的人工肌肉，而是制定『開發延展性好且能自我修復的材料』的規則。」Bao 解釋說，「人造肌肉確實是我們的材料的一個潛在的應用領域。」Bao的團隊現在正計劃進一步增加電場帶來的影響。

「這項研究十分有趣，非常優雅。」美國南卡羅來納州克萊姆森大學的聚合物化學家Marek Urban說。他說，該聚合物最終可以用來製造合成肌肉，用在假肢上，以彌補殘疾人的缺陷，或是使機器人能像人類一樣運動。他還說，該材料還可能有其它的應用領域。根據電場而伸展或收縮的材料通常用於壓力或應變感測器，有時用於能自校正的感測器。當感測器放置在極端條件下時，如在宇宙中，很難或不可能進行人為修理，那麼自我恢復就有用了。Urban說：「若要將材料放在有可能會對它造成傷害的環境中，自我修復的能力就很有優勢了。」

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