[发明专利]基于电纺超细纤维仿生人工肌肉材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种人工肌肉材料、其制备及其应用，特别是将具有体积变化的功能响应材料制备为具有伸缩功能的取向超细纤维材料。

背景技术

天然肌肉能够将化学能等温高效地直接转换为机械能，其高效率、无噪声、无污染、体积小、柔性结构分布式直接驱动及特殊的伺服性能等特点十分引人注目，从而成为人们梦寐以求仿制的对象。为此，人们研制了具有类似于天然肌肉上述特性的功能高分子材料-人工肌肉高分子材料AMP(artificial musclepolymer)。

人工肌肉高分子材料主要分为化学机械型和电化学机械型人工肌肉高分子材料。这些人工肌肉高分子材料具有柔性结构，并且能够随pH值、温度、电场等外界环境的变化而发生收缩或伸长，其收缩力、伸缩率、响应时间等方面均已取得长足发展，目前已经在执行器、机器人、传感器等领域得到了诸多应用。

然而，基于高分子材料的人工肌肉的发展还存在很多问题如响应速度慢、存在滞后效应、强度偏低、收缩力偏小等。目前基于高分子材料的人工肌肉主要以厚度在数十微米至数毫米之间的无序混合的高分子材料薄膜的形式得到应用。当人工肌肉高分子材料薄膜直接或者在加电场的情况下接触离子、小分子时，小分子或者离子通过扩散进出高分子材料薄膜并导致高分子材料发生相应的构象变化从而引发形变。由于人工肌肉高分子材料薄膜的尺寸相对离子或者小分子的扩散太大并且需要耗时的构象变化，因此响应速度较慢，存在响应滞后效应；另一方面，由于薄膜中高分子材料无序混合，其形变方向不一致致使其中相当部分的形变能量由于不同方向形变的高分子材料之间的相互牵制或者抵消而消耗(如图1a所示)，导致这类人工肌肉高分子材料效率降低，收缩力减小；最后，为了方便离子、小分子的扩散，人工肌肉高分子薄膜常常为微孔结构，并且材料间在微观层次上并无很强的相互作用，因此这类人工肌肉高分子材料薄膜机械强度通常偏低。

然而随着人类社会文明的不断进步及人类生活质量的不断提高，人们对各类驱动器件性能的要求也不断提高。为此，具有众多优良性能的人工肌肉高分子材料性能的改进及开发以满足人们需求的研究受到全世界科学家和工程技术人员的高度关注，令人遗憾地是到目前为止，进展仍十分缓慢。

事实上，在开发高性能高分子人工肌肉方面，正如我们在研发飞行器中可以向鸟类学习，在研发电池中可以向电鳗学习一样，自然给予了我们很好的学习范例。生物经过亿万年的进化其不仅适应自然而且程度接近完善，其一些奇妙的功能远远超过人类自身先前的设计并成为解决疑难工程问题的答案。自然界的天然肌肉即是其中很好的一个例子。天然肌肉是通过直径约1微米的圆柱形肌原纤维作为基本单元有序排列实现其变形功能的。肌原纤维由粗细不同的数百纳米的两组纤维肌丝-粗肌丝和细肌丝以高度规则的方式排列组成。细肌丝插入粗肌丝的间隔间并且细肌丝上的肌动蛋白可以与粗肌丝上的肌球蛋白形成复合物。肌原纤维伸缩过程可用所谓的滑动模型解释，即当肌原纤维收缩或者伸展时，细肌丝伸入或者脱出粗肌丝间隙(如图2所示)。

这样的伸缩过程蛋白质的构象并不发生改变，而是靠两种或多种不同种类的蛋白质材料之间的相对位移的迭加来实现伸缩运动。因此，基于高分子材料的人工肌肉的伸缩机制与天然肌肉的伸缩机制是完全不同的。天然肌肉中由超细纤维间的相对滑动而变形的机制由于不需要构象变化并且纤维细小因此保证了天然肌肉响应速度快；粗肌丝和细肌丝等超细纤维由于存在纤维间大面积的包括氢键等的弱相互作用从而提高了肌肉的相对强度；肌肉收缩方向一致(如图1b所示)因此效率高、收缩力比较大。