人造肌肉”研究獲得重大突破。來自麻省理工學院（MIT）的研究團隊利用“熱脹冷縮”的原理，製造出了一種人造肌肉纖維，其單根纖維可承受自身重量650倍的載荷，而且大概成本是每米6美分，已經具備工業化規模量產的條件。

該研究由MIT 博士後Mehmet Kanik 和研究生Sirma Orguc 聯合其他9 人共同完成，同時也登上了Science 最新一期的封面。

“熱脹冷縮”是人們耳熟能詳的自然現象，火車道上每段鐵軌之間留有的空隙就是為了應對冬夏長度的變化，而每種材料都有各自不同的熱膨脹係數（即溫度平均每升高1個單位，長度的相對變化量）。

生活中的許多場景都應用到此，“跳閘”大家應該都很熟悉，而熱繼電器過載保護的原理就是依靠擁有不同熱膨脹係數的“雙金屬片”在電路過載時感受溫度的變化，進而改變兩片金屬的彎曲程度以達到控制接觸斷開的效果。

MIT 團隊發現，使用兩種不同的聚合物粘合成一種纖維，隨著溫度的升高，膨脹更快的那種材料就會被對面綁定的“夥伴”阻止，這樣就導致粘合材料會朝向膨脹較慢的一側彎曲。這種不對稱的收縮會引起纖維向相反的方向捲曲，這就形成了一個類似彈簧的結構，而研究人員發現其可以提供非常強大的拉力。

這將對機器人、智能假肢等機械裝置，以及生物醫療等應用場景提供極大幫助，開創了一種新模式“ 人造肌肉 ”。

圖| 論文的兩位第一作者：Mehmet Kanik（右）和Sirma Orguc（來源：Mehmet Kanik）

製造工藝簡單實用

Mehmet團隊的靈感來源於黃瓜卷鬚。

早在1865年，達爾文就根據對黃瓜卷鬚的觀察，推測黃瓜卷鬚的盤旋運動能夠形成一個彈簧狀物，而且他注意到，這種彈簧不像一個典型的彈簧只朝一個方向盤旋，黃瓜的捲須會從系鏈的末端開始朝著相反的方向開始盤旋。這樣當受到來自另一邊的牽引力時，黃瓜卷鬚的纖維不會像一個普通的彈簧那樣打開，而是纏繞得更加緊密。

因此Mehmet團隊推測，由彈性體和熱塑性聚合物組成的聚合物雙晶結構內的熱膨脹差異，在低熱度條件刺激下可滿足線性驅動。為了控制生產纖維的長度和橫向尺寸，他們採用了可伸縮的纖維拉伸技術。

這種技術是通過將一個預製作的大尺寸材料加熱到一定溫度，讓材料變得粘稠，然後就可以像“吹糖人”一樣將纖維拉出。這種既可以保證纖維內部兩片不同材料的結構，還可以控制最終成型的尺寸。

在綜合考慮拉伸溫度下兩種材料的粘度、能否滿足魯棒驅動等約束條件，經過有限元分析，Mehmet在實驗中選擇採用HDPE和COCe兩種聚合物。

圖| A.“雙晶纖維”的兩個熱拉伸製備階段。B.約60 米採用有機玻璃封裝的“雙晶纖維”。C.有機玻璃外皮去除掉的內部分層示意圖。D.纖維冷拉伸前後的橫斷面掃描電鏡（SEM）圖像，插圖為拉伸後的COCe 結構。（來源：Mehmet Kanik）

纖維製造好後，如果將其拉伸至原始長度的數倍，它將自然地形成一個類似彈簧的線圈，和座機的電話線十分相似。

圖| 微觀測下的“人造肌肉”纖維（來源：Mehmet Kanik）

力量大、可控且耐用

與傳統機器人等機械設備的驅動方式不同，Mehmet團隊這項研究的目的就是要取代傳統液壓、氣動等驅動方式。而使這種新型“人造肌肉”纖維起到拉伸作用的“外力”正是溫度，其原理上文已經給予介紹。

Mehmet團隊生產的這種纖維，溫度只要在很細微的區間內變化，其結構就會敏感地反應、收緊，同時產生的拉力也十分強大。而在溫度下降後，纖維會很快恢復到初始長度。

圖| 溫度升高14℃ 時，纖維的長度變化——近乎收縮了一半（來源：Mehmet Kanik）

同時，為了測量單根纖維可以承受的重量載荷，Mehmet設計了一個專門的測試裝置。經過多次試驗，他們發現單根纖維可以承受約自身重量650倍的載荷。而且，Mehmet告訴DeepTech，他們現在已經證明了通過捆綁纖維，可以進一步增加其載重能力；同時，該纖維的收縮並不需要溫度有劇烈的變化，對溫和溫度範圍內的起伏就很敏感。

更為難得的是，當纖維受熱收縮時，Mehmet通過對其長度的變化量與溫度升降程度進行建模，初步得出一套相對精確的程序，它可以幫助計算在需要一定力的條件時，應提供多大程度的溫度變化。這讓該研究在未來應用角度上更具有實用價值。

作為驅動設備，材料的耐久度是必須要考慮的。為了讓測試更加直觀，Mehmet將纖維和零件擬人化地組裝成一個“鍛煉肱二頭肌的手臂”。通過纖維的拉伸，不斷地提放機械手臂上的“啞鈴”。經過測試，該纖維可以滿足超過1萬次的“鍛煉過程”，並且強度沒有下降。

圖| 耐久性測試的“肱二頭肌鍛煉”設備（來源：Mehmet Kanik）

量產問題，及其帶來的無限可能

關於生產成本和能否量產的問題，Mehmet告訴DeepTech：“我們團隊所使用的纖維拉伸技術目前已經十分成熟，並且經濟有效。同時，實驗中所選用的聚合物材料的價格也很低廉，目前生產的人造肌肉纖維大概成本是每米6美分（0.06美元，約為人民幣4角錢）。”

圖| Mehmet 展示1 米長的“人造肌肉”纖維，這段材料的成本大概是6 美分（來源：Mehmet Kanik）

Mehmet表示，這項技術已經做好了工業化規模量產的準備。

同時，他還表示Science 的文章只是展示了纖維設計的原理和一些基本應用的證明。但隨著團隊研究的不斷進展，到目前為止，他們已經可以通過捆綁纖維來增加其負重載荷。簡而言之，他們對這種“人造肌肉”纖維接受大規模人造假肢和軟體機器人設備應用的檢驗充滿了信心。

對於未來的研究方向，Mehmet說：“在更大規模的應用中，潛在的挑戰是拓展刺激源（溫度以外的條件），這可以通過對肌肉結構的創新來改進。我們將嘗試建立一個不同的內部刺激機制，包括電學、光學或電化學等。”

對於這項“人造肌肉”的研究更深刻且長遠的意義，Mehmet認為他們是開發了一個新的平台，目前實驗是根據不同熱膨脹係數的HDPE和COCe兩種聚合物在設計，但這只是一個基於纖維的“人造肌肉”框架。

“ 這種製造方法的本質，將使我們（該領域的科研人員）有無限的可能創造出多功能的人造肌肉裝置。”Mehmet如是說。‍