还在健身房撸铁？更强劲的人工肌肉给你装上
2018/4/2 中科院之声

     说到《终结者》系列科幻电影，想必大家并不陌生，尤其是主角施瓦辛格一身肌肉给大家留下了深刻印象，也引起了无数健身爱好者的关注，纷纷埋头苦练，希望拥有像他一样的强劲肌肉!

    

     不过，施瓦辛格的健美身材可不是一朝一夕就能练成的，他从小就开始练习健美，是7届奥林匹亚先生这个健美届最高荣誉的获得者，数十年来一直坚持不懈进行训练，即使现在已经年过七旬，还保持每天训练的习惯。

     对于我们来说，要像他那样能坚持长年累月高强度的训练，大概没有几位能做到吧。如果能有一种强劲的仿生人工肌肉，直接给你轻轻一装，不仅有型还能举铁，全程无痛无创，岂不美哉？

    

     不过在此之前，我们还得先来了解一下我们自己的肌肉，也就是生物肌肉。

     生物肌肉的强劲与否取决于其能量密度的大小，在健身房撸铁，增加肌肉的训练强度，就是为了增强肌肉纤维的能量密度，从而提升其力学输出。科学统计数据表明，泰拳选手的肌肉能量密度高达10.3 KJm^-3。那么生物肌肉是怎么“做功”的？在生物课中我们学到，我们的肌肉是通过三磷酸腺苷(ATP)的水解作用，将体内存储的生物能转化成机械能。

     所以，我们需要找的人工肌肉，要能储存能量，还得能“做功”。经过重重筛选和探索，科学家们找到了一种典型的仿生人工肌肉材料，叫做离子聚合物-金属复合材料(Ionic polymer-metalcomposites, IPMC)，也称为电化学驱动器。

     它是由两层电极与离子聚合物组装而成的三明治结构，在电场作用下，就可以实现电能与机械能的转换。这种材料具有低电压驱动、柔性大变形等特性，在软体机器人、智能穿戴以及医疗器械等方面的应用前景广阔。

     人工肌肉能量密度的大小，取决于两个关键因素，一个指标是它能储存多少电能，另一个指标是电能和机械能转换的效率。近期，中科院苏州纳米所陈韦研究员课题组与中科院北京化学所李玉良院士以及香港理工大学陶肖明教授等团队合作，在这两方面的指标有了新的突破。他们设计制备了一种石墨炔人工肌肉材料，同时提出了一种新型的储存能量和能量转换机制。

    

     石墨炔，这是一种继富勒烯、碳纳米管、石墨烯之后，新的全碳纳米结构材料。它具有丰富的碳化学键、大的共轭体系、宽面间距、优良的化学稳定性，被誉为是最稳定的一种人工合成的二炔碳的同素异形体。

     人工肌肉电能储存能力，取决于在电场作用下，其吸附的离子数量。石墨炔活性单元与离子配位作用非常强，可以吸附更多的离子，因此就可以存储更多的电能。经过实验测试，测得这种石墨炔人工肌肉材料存储的电能高达237 F g^-1，远高于同类电化学换能器件，这为人工肌肉提供了充足的能量来源。

     但是，电能储存得再多也是不够的，还要能“做功”，把它们转化成机械能，才能实现肌肉的功能。生物肌肉是通过三磷酸腺苷的水解作用，将体内存储的生物能转化成机械能，生物肌肉纤维在微观上的变动，会产生肌肉整体上的形变，也就是我们看到肌肉在“做功”的过程。而人工肌肉是利用纳米功能材料，将电能存储并进一步转化为机械能，这也是一个电离子的流动导致宏观应变的过程。

    

     此前，科研人员认为 IPMC 材料驱动机制是电容致动机理，在驱动电压刺激下，一定数量的离子在电极层中的预膨胀、嵌入、嵌出，引起电极材料的可逆膨胀与收缩效应，这种效应导致了驱动器的宏观应变。但是，不同于以往经验，此次科研人员提出的这种新型分子驱动机制——石墨炔烯炔互变效应，是基于可逆配位转换效应引起的材料结构变化。

    

     基于石墨炔材料的烯炔互变分子驱动机制示意图(a离子嵌入石墨炔导致分子链发生变形，这是一个电-机械转换过程；b离子与石墨炔功能单元配位作用)。

     在电场作用下，基于石墨炔材料的烯炔互变分子驱动机制导致材料微观结构发生形变，无数的这种微观形变叠加到一起，最终导致了人工肌肉的宏观变形，从而实现电能到机械能的转换。这种转换能将人工肌肉的能量密度提高到11.5 KJ m^-3，远远超过哺乳动物生物肌肉能量密度(刚才我们说到，泰拳选手的肌肉能量密度也只是10.3 KJm^-3。)。

     这意味着，如果将这种高能量密度的人工肌肉做成战衣穿在身上，就能够秒变钢铁侠去拯救世界了，省去了在健身房撸铁苦练的煎熬，为广大身患懒癌的健身爱好者带来了福音!

     来源：中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所

    

    

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