即使电子产品越来越小，用于驱动运动的电机、液压装置和其他小工具仍然顽固地抵制着这一趋势。制造和组装能够提供驱动超小型移动部件所需的力和承受应力的微型机制非常困难。本周在《科学》杂志上，几个研究团队发表了研究报告，描述了在制造小型人造肌肉方面的进展，所有这些肌肉都使用微小的扭曲纤维来存储和释放能量。这些纤维可用于从微型机器人到医疗设备中的阀门的各种应用。
这些纤维通常包括尼龙或高密度聚乙烯等轻质聚合物，根据其重量，它们比人类肌肉更强大。伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的机械工程师萨梅赫·陶菲克说，在收缩时，有些纤维可以举起自身重量 1000 多倍的物体。这些纤维使工程师能够在小空间内存储大量能量，这“让他们能够做他们原本做不到的事情，”陶菲克指出，他合著了发表在同一期《科学》杂志上的对这些研究的评论。
一种新型人造肌肉设计本质上是用于驱动轻木飞机的橡皮筋的小型高科技版本。但是，这些纤维不需要每次使用都进行缠绕，法国波尔多大学的材料科学家、其中一项研究的合著者袁金凯说。相反，它们由一种“形状记忆”聚合物制成，该聚合物会随着材料温度的变化而扭曲和解扭。
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以下是袁的研究团队如何制造其肌肉的：首先，研究人员将一种称为聚乙烯醇 (PVA) 的材料的 2 厘米长、40 微米直径的纤维加热到其所谓的编程温度以上。（在此温度以上，材料自然呈现一种形状；在此温度以下，材料可以呈现另一种形状。如果温度在此阈值附近波动，材料会在两种形状之间交替。）在扭曲纤维以储存能量后，他们将其冷却以冻结其形状。袁说，当纤维再次被加热到其编程温度以上时，它会迅速解扭回其原始形状。
虽然 PVA 纤维可以储存大量的能量，但该团队发现，在材料中添加三到五微米大小的氧化石墨烯薄片可以使其储存更多的能量。这是因为这些薄片在纤维第一次扭曲时会弯曲（从而像弹簧一样储存能量），然后在纤维解扭时释放能量。在团队的实验室测试中，一条解扭的纤维在整整五秒钟内以每分钟 600 转的速度旋转了一张纸片。为了证明纤维的能量存储能力，该团队使用它来推动一艘玩具船。袁认为，更实际的是，这种人造肌肉还可以打开和关闭医疗设备中的微小阀门。
虽然袁和他的同事制造的纤维在扭曲和解扭时会提供扭矩，但其他团队开发的人造肌肉更像真正的肌肉：它们通过拉动或举起物体来工作。由麻省理工学院的研究人员领导的一个团队制造的纤维可以拉伸到其初始尺寸的 1000% 以上，并举起自身重量 650 多倍的物体。麻省理工学院的材料科学家、该研究的资深作者波利娜·阿尼基娃说，它们的工作原理类似于早期恒温器中的双金属片：纤维由两种材料粘合而成，这两种材料会随着环境温度的变化以截然不同的速率膨胀。
阿尼基娃说，她的团队的新型人造肌肉包含高密度聚乙烯 (HDPE)，这是一种用于制造可回收瓶的塑料。它还包含另一种材料，一种被称为弹性体的弹性聚合物。当这些物质的小块被加热并通过一个窄喷嘴拉动时，它们会粘合并被拉伸成又长又细的纤维。当纤维中的张力释放时，弹性体会缩小回其原始尺寸。这种变化反过来会导致纤维卷成类似于旧电话线的弹簧状。当纤维被加热或冷却时，HDPE 的膨胀或收缩速度比与之结合的弹性体快约五倍，这往往会分别缩短或增加盘绕纤维的整体长度。
当阿尼基娃和她的同事在四秒内将其中一条纤维加热 14 摄氏度时，人造肌肉的整体长度缩短了惊人的 50%。在其他测试中，该团队对纤维进行加热和冷却，以举起轻重量物体或弯曲小型机器人手臂。阿尼基娃说，虽然这些测试举起了克级重量，但大量的此类纤维束可用于进行更重的举重或拖拽。她指出，更大直径的纤维或纤维束可在机器人或假肢中找到应用。
另一支在本周的《科学》杂志上报道其工作的团队以完全不同的方式处理人造肌肉。尽管他们的设备是围绕扭曲纤维的核心构建的，但肌肉的活性部分实际上是围绕核心的薄材料护套。德克萨斯大学达拉斯分校的团队负责人、材料科学家雷·鲍曼说，使用这种护套有几个好处。他指出，其中一个好处是它允许工程师使用更便宜的材料作为纤维的核心。他和他的同事已经开发出围绕由尼龙、丝绸和竹纱制成的核心构建的护套驱动的肌肉。他们的测试表明，纤维核心材料的选择不会显着影响其性能。
鲍曼说，还有其他原因要构建护套驱动的肌肉。他解释说，纤维的外部是环境刺激（例如湿度或驱动其运动的某些物质的存在）将更快感受到的地方。此外，护套中的膨胀和收缩（最远离纤维中心）将比纤维核心附近的等效变化产生更大的杠杆作用。
与其他团队不同，鲍曼和他的同事开发了对温度变化以外的更多因素作出反应的纤维。一些纤维带有在暴露于乙醇蒸气时膨胀的肌肉护套；另一些则涂有在浸泡在葡萄糖溶液中时会收缩的材料。这些类型的纤维可用于打开或关闭医疗设备中的阀门，或挤压小袋并分配药物。鲍曼说，可以将在热、潮湿条件下对汗液或水蒸气做出反应的纤维编织成“智能织物”，以调节其编织的紧密度，使其更透气。或者，对有害蒸气做出反应的涂层可以收紧织物的编织，以保护应对化学泄漏的人员。
陶菲克说：“我对这些团队报告的进展感到非常兴奋。” “这项技术有着非常光明的前景。”