自我恢复的人造肌肉

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自我恢复的人造肌肉
+ g% W- n3 Q6 c* M# K来源：译言网 / 作者： / 2016-04-198 K5 ~3 \% ]3 @6 i. e
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材料学家们都想研发出想肌肉一样有惊人能力的材料，它可以根据命令收缩，可以拉伸70%的体积而不受伤害，可以恢复划痕和撕裂伤口。现在，研究人员说，他们就快要制造出一种合成材料，它满足了以上一切的要求，虽然和天然肌肉还有差距。这项进展终有一日能用于制造机器人和假肢。6 u; U7 l* S# {% L- a
人工肌肉这个概念的出现可以追溯到几十年前。研究人员提出了许多不同的材料，从像原子一样薄的碳管，即碳纳米管到陶瓷-金属合金。2000，科学家发现一些像橡胶的聚合物，即弹性体，只要给它们施加电压，它们可以可逆地拉伸至原长度的三倍。然而，和其它所有的合成材料一样，若这些弹性体坏掉了，就需要修理。在其它的领域中，科学家使用弹性体作为自我修复材料的基础——可以修复撕裂的口子，把孔封上，甚至可以将切开的断面再次粘起来。然而，大多数这些材料的强度较弱，缺乏弹性，很难满足人工肌肉的要求。而且，没有人能产生一种可以自我修复的人造肌肉。
& s3 s% p0 c, S9 a$ Y" N# l但是现在有人做出来了！在帕洛阿尔托，加利福尼亚斯坦福大学的材料化学家Zhenan Bao和同事开发了一种称为铁- Hpdca-聚二甲基硅氧烷（Fe-Hpdca-PDMS）的弹性体，他们把研究结果发布在《自然-化学》上。该材料有长的、随机缠结的聚合物链，有硅、氧、氮、碳原子和铁盐。在聚合物中，铁与氧原子、氮原子形成化学键，将聚合物链自己和自己、彼此之间交织在一起，就像绳子之间用弹性物质连接一样。这些交联键不会阻止聚合物链的移动，所以材料可以被拉伸。但这些交联键能防止聚合物链完全自由地滑动。在材料的形状改变时，交联键就会被拉伸，扭曲，有时会被打断并构成新的键。当停止拉伸材料时，交联键就会返回到原来的形状，使材料的既有强度又有弹性。
- Y  s3 X* F% M; I4 y然后是自我修复的问题。如果在材料上戳了一个洞，那么在洞的另一侧，铁原子就被氧原子和氮原子所吸引，并在72小时内构成新的键，使这个洞恢复原样。甚至当研究人员把聚合物材料切分成两块后，再将这两块放在一起，两个断面还是能够完美地再次合在一起，即使在零下20度的环境中，恢复后的材料还能具有之前的强度和90%的延展性。
' z  Z0 f' e! z) e+ l% q当研究者在聚合物上施加电场时（类似于肌肉组织被激活），材料的长度迅速增加约2%。当电场被关闭时，材料就会返回到它的原始大小。) N  E  T6 c# W' K0 ]# S( d
该材料的一个显著的弱点是，在电场作用下，它改变形状的能力就变小了。即使该材料通常可以拉伸到它的原始长度的45倍，并恢复到它的原始形状，但当有电场时，它的形变能力远小于真正的肌肉（降低了40%）。这将意味着，用这种材料制造的机器人的腿不能像人一样自然弯曲。
, C' [2 f& ^/ a7 l7 x& y+ G“在我们的研究中，我们的目标不是制造最好的人工肌肉，而是制定‘开发延展性好且能自我修复的材料’的规则。”Bao 解释说，“人造肌肉确实是我们的材料的一个潜在的应用领域。”Bao的团队现在正计划进一步增加电场带来的影响。0 O4 K# F  E5 l0 B* e9 L# f
“这项研究十分有趣，非常优雅。”美国南卡罗来纳州克莱姆森大学的聚合物化学家Marek Urban说。他说，该聚合物最终可以用来制造合成肌肉，用在假肢上，以弥补残疾人的缺陷，或是使机器人能像人类一样运动。他还说，该材料还可能有其它的应用领域。根据电场而伸展或收缩的材料通常用于压力或应变传感器，有时用于能自校正的传感器。当传感器放置在极端条件下时，如在宇宙中，很难或不可能进行人为修理，那么自我恢复就有用了。Urban说：“若要将材料放在有可能会对它造成伤害的环境中，自我修复的能力就很有优势了。”
# {0 R" }% W7 W$ b( E& A/ @3 @http://www.sciencemag.org/news/2016/04/artificial-muscle-can-heal-itself
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biomaterial is still a useful subsititute for various injuries.

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