在人體中,骨骼。Muscle)附著在骨骼上,骨骼肌由成百上千的捆綁在一起的肌纖維組成,肌纖維(Muscle bundle)沿縱向呈條紋結(jié)構(gòu),肌纖維的收縮單位是由肌絲組成的肌原纖維,肌絲包括肌球蛋白和肌動(dòng)蛋白絲,肌原纖維的基本滑動(dòng)單位稱(chēng)為肌小節(jié)(Sarcomere)。當(dāng)與Z線相連的細(xì)絲在鈣離子刺激下肌球蛋白和肌動(dòng)蛋白發(fā)生相互作用產(chǎn)生移動(dòng),肌節(jié)收縮(圖1)。使用聚合物材料來(lái)模仿肌絲的條紋結(jié)構(gòu)及肌小節(jié)的伸縮過(guò)程受到廣泛關(guān)注,而構(gòu)筑與肌纖維結(jié)構(gòu)相媲美的人工肌肉仍具有很大挑戰(zhàn)。
圖1骨骼肌的橫紋肌結(jié)構(gòu)和三嵌段氫鍵復(fù)合物組裝的層狀結(jié)構(gòu)。
近期,東華大學(xué)先進(jìn)低維材料中心楊曙光教授團(tuán)隊(duì)有效借助嵌段共聚物的微相分離和中間鏈段的氫鍵復(fù)合作用構(gòu)筑人工肌肉驅(qū)動(dòng)器(Lamellar structure)。使用兩種三嵌段聚合物“聚苯乙烯-b-聚丙烯酸-b-聚苯乙烯(SAS)和聚苯乙烯-b-聚環(huán)氧乙烷-b-聚苯乙烯(SES)”組裝形成了剛性層S和氫鍵復(fù)合層A/E交替的層狀結(jié)構(gòu)(Layer structure),其中聚苯乙烯形成的剛性層S模仿肌小節(jié)Z線,氫鍵復(fù)合層A/E模仿肌小節(jié)肌球蛋白和肌動(dòng)蛋白的運(yùn)動(dòng),利用氫離子濃度模仿鈣離子濃度作為伸縮刺激條件(圖1)。SAS/SES 驅(qū)動(dòng)器可根據(jù)環(huán)境 pH 值的變化驅(qū)動(dòng)做功(圖2a):pH升高時(shí)氫鍵解離,驅(qū)動(dòng)器伸長(zhǎng);pH降低時(shí)氫鍵復(fù)合,驅(qū)動(dòng)器收縮(圖2b)。該驅(qū)動(dòng)器表現(xiàn)出穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)性能(圖2c)。此外,驅(qū)動(dòng)器呈現(xiàn)出一種“捕獲狀態(tài)”(catch state),具有軟體動(dòng)物肌肉的特性(圖2d);該驅(qū)動(dòng)器的收縮率和工作密度分別為 50% 和 90 kJ m-3,均高于骨骼肌纖維(圖3),該研究為開(kāi)發(fā)具有出色性能的人造聚合物驅(qū)動(dòng)器提供了一種仿生方法。該工作以“Skeletal Muscle Fibers Inspired Polymeric Actuator by Assembly of Triblock Polymers”為題發(fā)表在《Advanced Science》上(Adv. Sci. 2022, 2105764),文章第一作者是東華大學(xué)博士生王偉杰,該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金委和上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)的支持。
圖2 驅(qū)動(dòng)器做功原理及穩(wěn)定性
圖3 驅(qū)動(dòng)器做功表現(xiàn)
原文鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/advs.202105764
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