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  人體骨骼肌具有優(yōu)異的機械訓(xùn)練自增強、應(yīng)變硬化、智能驅(qū)動等綜合特征，使得肌肉能夠不斷自我強化抵抗外界作用力，并能根據(jù)神經(jīng)系統(tǒng)的電流信號對外做功來改造環(huán)境。受之啟發(fā)的人工肌肉功能材料在醫(yī)療器械、機器人、智能驅(qū)動等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。但是，要把人體骨骼肌的這些優(yōu)異特征全部集成到單一合成材料上是一個巨大的挑戰(zhàn)。

圖1 人體骨骼肌基本特征

  近日，華南理工大學(xué)劉偉峰和廣東工業(yè)大學(xué)邱學(xué)青教授團隊使用極其常見的三元乙丙橡膠（EPDM）和極其普通的工業(yè)木質(zhì)素（一般人都不會注意它）為原料，利用木質(zhì)素協(xié)同配位增強的功能，結(jié)合機械訓(xùn)練方法，首次構(gòu)建出同時具備機械訓(xùn)練自增強、應(yīng)變硬化和智能驅(qū)動等綜合特征的人工肌肉功能材料。

圖2 人工肌肉制備和變形機理示意圖

  首先向EPDM基體內(nèi)添加具有配位能力的木質(zhì)素作為綠色增強劑，同時在木質(zhì)素與EPDM相界面引入鋅離子配位鍵，再通過反復(fù)的機械訓(xùn)練，促使配位交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)重排，構(gòu)建出具有局部鏈段穩(wěn)定取向的EPDM復(fù)合材料。重構(gòu)的配位交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)不但能集中斷裂耗散能量，而且能更有效促進鏈段取向結(jié)晶，使材料呈現(xiàn)機械訓(xùn)練自增強和應(yīng)變硬化的特點。并且，EPDM特殊的鏈段微結(jié)構(gòu)使復(fù)合材料能在外界熱/電刺激下往復(fù)對外做功，執(zhí)行應(yīng)變可超過40%，執(zhí)行應(yīng)力高達1.5 MPa（人體骨骼肌的執(zhí)行應(yīng)變40%，執(zhí)行應(yīng)力0.35 MPa），能提起自身重量10000倍的重物，具有出色的對外做功能力。

圖3 人工肌肉智能驅(qū)動性能

  這項工作的意義在于：

  1、首次提出動態(tài)配位鍵與機械訓(xùn)練結(jié)合的策略，通過機械訓(xùn)練過程對配位鍵反復(fù)斷裂重構(gòu)，最終實現(xiàn)橡膠鏈段的局部穩(wěn)定取向； 

  2、利用木質(zhì)素自身豐富的含氧極性官能團優(yōu)勢，提出木質(zhì)素協(xié)同配位增強的策略，再次證明工業(yè)木質(zhì)素這一廢棄生物質(zhì)資源可以構(gòu)建功能性綠色高分子復(fù)合材料。

  相關(guān)成果以“Biomimetic High Performance Artificial Muscle Built on Sacrificial Coordination Network and Mechanical Training Process”為題，近期發(fā)表在 Nature Communications上。論文第一作者為華南理工大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院博士生涂志凱，華南理工大學(xué)劉偉峰和廣東工業(yè)大學(xué)邱學(xué)青為論文共同通訊作者，華南理工大學(xué)機械學(xué)院博士后王晉為論文共同作者。成果得到國家自然科學(xué)基金項目（22038004, 22078116, 21706082）、廣東省基金項目（2020B1111380002, 2019A1515012154, 2018B030311052）等資助。

  原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-23204-x

  近年來，作者團隊將木質(zhì)素協(xié)同配位增強的策略應(yīng)用到橡膠彈性體補強，制備了一系列高性能的木質(zhì)素改性橡膠復(fù)合材料，可實現(xiàn)木質(zhì)素對傳統(tǒng)炭黑填料一半以上的替代，甚至可實現(xiàn)木質(zhì)素替代傳統(tǒng)塑料相、制備出以木質(zhì)素為塑料相的熱塑性彈性體復(fù)合材料，還可以實現(xiàn)木質(zhì)素增強傳統(tǒng)橡膠的功能化和智能化，相關(guān)成果獲得了系列授權(quán)發(fā)明專利，歡迎交流合作。

1. Biomimetic High Performance Artificial Muscle Built on Sacrificial Coordination Network and Mechanical Training Process. Nature Communication 2021, 12, 2916.

https://www.nature.com/articles/s41467-021-23204-x

2. High Performance Thermoplastic Elastomers with Biomass Lignin as Plastic Phase: ACS Sustainable Chem. Eng. 2019, 7, 7, 6550–6560. 

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acssuschemeng.8b04936

3. Effects of sacrificial coordination bonds on the mechanical performance of lignin-based thermoplastic elastomer composites: International Journal of Biological Macromolecules 2021, 66,  

https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2021.04.188

4. Lignin reinforced NBR/PVC composites via metal coordination interactions. Ind. Eng. Chem. Res. 2019, 58(51), 23114-23123. 

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.iecr.9b05198 

5. Lignin-reinforced ethylene-propylene-diene copolymer elastomer via hydrogen bonding interactions. Macromol. Mater. Eng. 2019, 304(4), 1800689.

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/mame.201800689 

6. Bioinspired engineering towards tailoring advanced lignin/rubber elastomers. Polymers, 2018, 10(9), 1033.  

https://www.mdpi.com/2073-4360/10/9/1033