欧亚体育（中国）有限公司机械工程学院副教授胡兴好曾读过一篇科技类小说，说的是在一个小鼠生物实验中，受伤的小鼠贴了膏药后恢复了肌肉功能。这一描述让他大受启发——有没有一种具有运动修复功能的“创口贴”，哪里的肌肉受伤就贴在哪里，从而使受伤者免于穿戴背带、手套等辅助治疗设备呢？

胡兴好把梦想变为了现实——他的团队在实验室制作出了生物胶带。当这种基于纤维人工肌肉的生物胶带贴敷在受伤或者萎缩的人体肌肉上，并在外部施加小幅电压时，胶带会自动收缩，从而带动肌肉组织收缩，帮助受伤肌肉组织训练和恢复。日前，相关成果发表于《美国化学会-纳米》。

把人工肌肉做成生物胶带

人工肌肉是人们依照动物骨骼肌，设计出的具有高输出应变、高输出能量、高输出功率以及大负载能力的柔性驱动器。正因为其体积小、运动自由度高、可以适应受限工作环境，因此在柔性骨骼、柔性飞行器、生物医疗、精准微创手术等领域都有广阔的应用前景。

胡兴好一直从事人工肌肉驱动机理研究。2021年1月，他在《科学》发表论文，提出了一种新型高性能电化学驱动人工肌肉，探索出人工肌肉的全新驱动机理。“在一定频率范围内，随着驱动电压频率的增加，我们设计的新型电化学人工肌肉的应变也会一直增加。”这为人工肌肉的实际应用向前迈出一大步奠定了坚实基础。当时评审专家认为，这种新型人工肌肉的设计和理论分析都很完美。

然而，一根纤维人工肌肉仅有100多微米粗，和头发丝差不多粗细。胡兴好认为，外骨骼机器人等大型场景中的应用对纤维人工肌肉的能量、功率、材料等要求很高，“其应用还是要先从小的方面入手”。

胡兴好想把他研制的人工肌肉做成生物胶带。“普通医疗胶带是药物在起作用，有效性短，药物失效了就不能再使用；生物胶带发挥的是物理作用，用人工肌肉的收缩带动人体肌肉收缩，体积小、随时可用，而且可以反复使用。”

目前，市场上并没有类似的生物胶带存在，他面对的是一片蓝海。

材料改性是第一步

“验证人工肌肉电化学驱动机理，并根据生物胶带的特殊要求解决结构设计和凝胶材质这两大难题，是推动纤维人工肌肉在医学上实际应用的关键。”胡兴好说。

团队此前采用的都是单根纤维电极与其他电极材料组成的三电极测试系统。欧亚体育（中国）有限公司机械工程专业2022级硕士生张峰瑞负责生物胶带的制作与性能测试，他在制作生物胶带时，采用两根纤维组成相对电极，减轻了整体胶带的重量。“测试结果显示，双纤维电极和单纤维电极对比，尽管结构不一样，性能变化却不明显。”

于是，胡兴好把研究重点放在了纤维人工肌肉材料上，材料改性是第一步。

碳纳米管纤维是国际公认的制作人工肌肉的理想材料之一，加捻成螺旋结构的碳纳米管纤维可以在电热、光照、电化学等方式下进行驱动。

胡兴好解释说，碳纳米管纤维有很多孔隙，在电化学电压作用下，电解液中的溶剂化离子会“跑”到碳纳米管纤维的孔隙中，从而使碳纳米管纤维的体积增大，再通过类似搓麻绳的加捻过程，将碳纳米管纤维体积膨胀转化为长度收缩。

碳纳米管纤维直接通电收缩效果非常明显，但放在电解液中却一动不动，收缩应变只有1%。他尝试在碳纳米管纤维中加入其他材料，通过大量实验，最终找到一种材料——聚苯乙烯磺酸盐。

数据表明，由碳纳米管纤维复合聚苯乙烯磺酸盐制备出的纤维人工肌肉的收缩应变提升到了5%，其输出应力也提升了近3倍。这成为了制作生物胶带的基础材料。

尝试新型电解液

“以前，我们关注的是在外界电压作用下，纤维人工肌肉可以伸多长、缩多短；现在，设计生物胶带是为了带动人体肌肉运动，我们更关注纤维人工肌肉在长度不变的情况下，能够产生多大的力。”胡兴好表示，在生物胶带方向，研究从提升输出应变转变成提升输出应力。

让纤维人工肌肉在静止状态下产生更大的力，就好比让一个大力士在不动的状态下承受更多的重物，除了优化材料让离子进入得更多外，还要增大每个进入离子的有效体积。这其中，电解液的选择非常关键。

此前，胡兴好一直研究的是液态电解液。“水系电解液有自身缺陷，电压大了，水系电解液就变成了电解水。”

胡兴好通过实验，努力寻找另一种液态电解液，最终从汽车电池的有机电解液中获得灵感，采用了有机电解液，其输出应变大幅提升了16%。

生物胶带是一种凝胶敷贴，胡兴好发现，从液体到凝胶，电解液变化了，纤维人工肌肉的性能衰减得很明显。

通过查阅文献和实验验证，不断更换凝胶的选型和浓度，他们花了一年时间，最终找到了合适的凝胶电解液。张峰瑞告诉《中国科学报》，实验数据最终证明，纤维人工肌肉在凝胶电解液下的输出应变也能达到10%。

在胡兴好的实验室里，两条黑色纤维人工肌肉被固定在硅胶材料中，这就是生物胶带的雏形。把生物胶带贴在皮肤上，通上1至3伏的电压，会明显感觉到皮肤和肌肉随着胶带在收缩。

胡兴好说，生物胶带还是实验室作品，透气性如何、是否会对皮肤产生影响，还需要进一步研究，以解决更多生物兼容性的问题。

“科学研究就是不断探索的过程，会经历无数次失败，但是这些都会成为研究的基石。”胡兴好表示，基于纤维人工肌肉制作出生物胶带，只是电化学人工肌肉的应用场景之一。他计划进一步探索电化学驱动人工肌肉机理，在机理清晰的基础上，广泛开展纤维人工肌肉的应用研究。

文章来源：中国科学报 2024年1月8日 3版

文章链接：https://news.sciencenet.cn/sbhtmlnews/2024/1/377869.shtm