制作能走會(huì)動(dòng)的機(jī)器人就一定很復(fù)雜嗎？不！在科學(xué)家手中，一根普通的人類頭發(fā)就可以“秒變”爬行機(jī)器人。長期致力于人工肌肉材料研究的南開大學(xué)藥物化學(xué)生物學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、化學(xué)學(xué)院劉遵峰教授團(tuán)隊(duì)利用加捻和冷燙技術(shù)研發(fā)出了一種自行固定智能頭發(fā)人工肌肉，可通過感知濕度實(shí)現(xiàn)自動(dòng)伸縮，用它制成的毛蟲機(jī)器人可以做出爬行、扭轉(zhuǎn)等動(dòng)作。該技術(shù)為含化學(xué)鍵的加捻纖維的定型提供了一種新策略，在生物相容性智能材料、傳感器和軟體機(jī)器人研發(fā)領(lǐng)域中具有廣闊應(yīng)用前景。
拉伸和扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)是基本的變形類型，可用于構(gòu)建復(fù)雜的變形驅(qū)動(dòng)，如彎曲、滾動(dòng)、爬行等。人類的肌肉纖維、蜘蛛絲以及鈴狀鈴蟲的細(xì)長莖等，都是天然界中存在的自固定的纖維驅(qū)動(dòng)器，可以實(shí)現(xiàn)伸縮和扭轉(zhuǎn)等運(yùn)動(dòng)。
“但是，這些天然材料不能直接用于工業(yè)和人類生活中。因此，急需開發(fā)基于生物相容性和生物可降解的天然材料的新型自固定人工肌肉。這種基于生物材料的自固定智能驅(qū)動(dòng)器可用于傳感器、控制器以及組織工程、醫(yī)療保健和人機(jī)交互的軟機(jī)器人中。”劉遵峰說。
帶著這樣的問題，劉遵峰團(tuán)隊(duì)開始尋找合適的天然生物材料。而美發(fā)廳的燙發(fā)技術(shù)讓團(tuán)隊(duì)找到了靈感。
“長久以來，人們一直在尋找讓頭發(fā)卷曲的方法。古埃及人把頭發(fā)卷在木棒上，用濕泥涂勻，經(jīng)太陽晾曬后就獲得了一頭卷發(fā)。后來，水燙、火燙、電燙相繼出現(xiàn)。如今，冷燙技術(shù)被普遍使用。如果能有一種新型燙發(fā)技術(shù)，可以讓頭發(fā)感知環(huán)境濕度變化而智能調(diào)控發(fā)型，那將多么神奇?！眲⒆穹褰榻B。
頭發(fā)是一種由豐富角蛋白組成的天然生物材料，具有高拉伸強(qiáng)度、高隔熱性、完全的生物降解性以及容易獲得等優(yōu)點(diǎn)。由于頭發(fā)中α-角蛋白對水具有高靈敏響應(yīng)性，因此，研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，頭發(fā)非常適合制備自固定人工肌肉。經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)，團(tuán)隊(duì)利用頭發(fā)中二硫鍵和氫鍵形成的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，開發(fā)出了這種“智能燙發(fā)新技術(shù)”，實(shí)現(xiàn)了濕度響應(yīng)的頭發(fā)人工肌肉的自固定。
首先，他們將加捻后的頭發(fā)纖維用硫代乙醇酸銨溶液還原，打開原來存在的S-S鍵形成–SH鍵。隨后，在月桂胺氧化物溶液中氧化S-S鍵重組形成新的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，來保持頭發(fā)纖維的捻度，實(shí)現(xiàn)智能自固定。該人工肌肉可以通過控制從–SH鍵到S-S鍵的氧化程度，來實(shí)現(xiàn)自固定人工肌肉驅(qū)動(dòng)的可逆性和不可逆性的調(diào)控。可逆的旋轉(zhuǎn)型人工肌肉實(shí)現(xiàn)了122.4°mm-1的旋轉(zhuǎn)，同手性和異手性伸縮性人工肌肉分別實(shí)現(xiàn)了94％的收縮和3000％的伸長。這種優(yōu)異的驅(qū)動(dòng)性能取決于頭發(fā)纖維吸水后角蛋白內(nèi)氫鍵斷裂和相關(guān)的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化造成的體積膨脹，并通過X射線衍射和宏觀表征得到了證實(shí)。
研究團(tuán)隊(duì)用這種自固定頭發(fā)人工肌肉制作了濕度傳感器、智能開關(guān)、爬行毛蟲機(jī)器人。
“這項(xiàng)研究重要的意義在于提供了一種新的策略，通過生物相容性和可生物降解天然材料中的化學(xué)交聯(lián)來實(shí)現(xiàn)捻度的保持，來制備自固定的纖維人工肌肉，并實(shí)現(xiàn)人工肌肉可逆性的調(diào)節(jié)。這項(xiàng)新技術(shù)可拓展應(yīng)用于含–SH鍵的其他天然和人造材料的自固定中，并對含其它動(dòng)態(tài)可逆共價(jià)鍵材料的自固定具有借鑒意義?！眲⒆穹逭f。
該研究獲得國家自然科學(xué)基金、天津市自然科學(xué)基金和南開大學(xué)相關(guān)計(jì)劃資助。介紹該成果的論文日前發(fā)表于國際材料學(xué)權(quán)威期刊《材料視界》（Materials Horizon）上。劉遵峰教授為論文通訊作者，南開大學(xué)博士生冷雪琪為第一作者。