仿生人工肌肉研究獲進展

   仿生人工肌肉材料是20世紀90年代迅速發展的一類新型智能材料，正不斷地掀起全球科學家的研究熱潮，在航空航天、仿生機器人以及生物醫療等工程領域具有重要的應用價值。離子聚合物-金屬復合材料（Ionic polymer-metal composites， IPMC），也稱為電化學驅動器，是一種典型的仿生人工肌肉材料。它是由兩層電極與離子聚合物組裝而成的三明治結構，在電場作用下，依靠離子在電極界面的可逆脫嵌過程，實現電能與機械能的轉換。因其低電壓驅動、柔性大變形等特性，在軟體機器人、智能穿戴以及醫療器械等方面的應用前景廣闊。

   目前，學術界公認的IPMC材料驅動機制是電容致動機理，在驅動電壓刺激下，一定數量的離子在電極層中的預膨脹、嵌入、嵌出，引起電極材料的可逆膨脹與收縮效應，這種效應導致驅動器的宏觀應變。換言之，電極材料儲能越大，驅動效應越強。基于此機制，各種高儲能的納米材料都被嘗試用作IPMC電極，驅動性能相比于傳統IPMC材料得到大幅提升，但較實際應用仍存在較大的差距，曾一度成為人們難以理解的困惑。究其原因，儲能與驅動性能之間并不總是正相關的，它們之間存在一個能量轉換效率的問題。經過大量的調研與探索，研究發現電極的能量轉換效率主要由材料的電學特性、孔道構型、分子結構以及力學特性等復雜因素決定。因此，想要在驅動性能和應用上取得突破，就必須發展新型納米結構活性材料，探索新的儲能-轉換機制。

   近日，中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所研究員陳韋課題組，中科院院士、中科院化學研究所研究員李玉良，與香港理工大學教授陶肖明等合作，設計制備了一種基于石墨炔新材料的電化學驅動器，并從石墨炔材料微觀分子驅動機制的發現，到宏觀驅動器件的高能量轉換效率驅動特性，開展了全面系統的研究。研究提出并實驗驗證了一種新型分子驅動機制——石墨炔烯炔互變效應，該機制完全不同于傳統的電容驅動機制，它是基于可逆配位轉換效應引起的材料結構變化，如圖1所示。由于常規檢測手段（如：拉曼、紅外等）難以捕捉這一分子尺度的配位轉換效應，研究人員創造性的利用高靈敏的原位和頻共振光譜技術，從實驗上驗證了這一分子驅動機制，如圖2所示。正是由于這種活性功能單元的作用，石墨炔IPMC柔性電極表現出優異的電化學儲能特性，也表現出電-機械能量轉換能力。石墨炔驅動器比電容高達237 F g-1，倍率特性良好，換能效率高達6.03%，遠高于同類電化學換能器件，能量密度高達11.5 KJ m-3， 與哺乳動物生物肌肉能量密度相當，將電化學驅動器的性能提升到了新水平，如圖3所示。

   相關研究成果發表在《自然-通訊》上。該研究得到了國家自然科學基金、江蘇省科技計劃項目（產業前瞻與共性關鍵技術）、中科院國際合作重點項目等的資助。