還在健身房擼鐵？更強勁的人工肌肉給你裝上

說到《終結者》系列科幻電影，想必大家並不陌生，尤其是主角施瓦辛格一身肌肉給大家留下了深刻印象，也引起了無數健身愛好者的關注，紛紛埋頭苦練，希望擁有像他一樣的強勁肌肉！

不過，施瓦辛格的健美身材可不是一朝一夕就能練成的，他從小就開始練習健美，是7屆奧林匹亞先生這個健美屆最高榮譽的獲得者，數十年來一直堅持不懈進行訓練，即使現在已經年過七旬，還保持每天訓練的習慣。

對於我們來說，要像他那樣能堅持長年累月高強度的訓練，大概沒有幾位能做到吧。如果能有一種強勁的仿生人工肌肉，直接給你輕輕一裝，不僅有型還能舉鐵，全程無痛無創，豈不美哉？

不過在此之前，我們還得先來了解一下我們自己的肌肉，也就是生物肌肉。

生物肌肉的強勁與否取決於其能量密度的大小，在健身房擼鐵，增加肌肉的訓練強度，就是為了增強肌肉纖維的能量密度，從而提升其力學輸出。科學統計數據表明，泰拳選手的肌肉能量密度高達10.3 KJm-3。那麼生物肌肉是怎麼「做功」的？在生物課中我們學到，我們的肌肉是通過三磷酸腺苷（ATP）的水解作用，將體內存儲的生物能轉化成機械能。

所以，我們需要找的人工肌肉，要能儲存能量，還得能「做功」。經過重重篩選和探索，科學家們找到了一種典型的仿生人工肌肉材料，叫做離子聚合物-金屬複合材料（Ionic polymer-metalcomposites, IPMC），也稱為電化學驅動器。

它是由兩層電極與離子聚合物組裝而成的三明治結構，在電場作用下，就可以實現電能與機械能的轉換。這種材料具有低電壓驅動、柔性大變形等特性，在軟體機器人、智能穿戴以及醫療器械等方面的應用前景廣闊。

人工肌肉能量密度的大小，取決於兩個關鍵因素，一個指標是它能儲存多少電能，另一個指標是電能和機械能轉換的效率。近期，中科院蘇州納米所陳韋研究員課題組與中科院北京化學所李玉良院士以及香港理工大學陶肖明教授等團隊合作，在這兩方面的指標有了新的突破。他們設計製備了一種石墨炔人工肌肉材料，同時提出了一種新型的儲存能量和能量轉換機制。

石墨炔，這是一種繼富勒烯、碳納米管、石墨烯之後，新的全碳納米結構材料。它具有豐富的碳化學鍵、大的共軛體系、寬面間距、優良的化學穩定性，被譽為是最穩定的一種人工合成的二炔碳的同素異形體。

人工肌肉電能儲存能力，取決於在電場作用下，其吸附的離子數量。石墨炔活性單元與離子配位作用非常強，可以吸附更多的離子，因此就可以存儲更多的電能。經過實驗測試，測得這種石墨炔人工肌肉材料存儲的電能高達237 F g-1，遠高於同類電化學換能器件，這為人工肌肉提供了充足的能量來源。

但是，電能儲存得再多也是不夠的，還要能「做功」，把它們轉化成機械能，才能實現肌肉的功能。生物肌肉是通過三磷酸腺苷的水解作用，將體內存儲的生物能轉化成機械能，生物肌肉纖維在微觀上的變動，會產生肌肉整體上的形變，也就是我們看到肌肉在「做功」的過程。而人工肌肉是利用納米功能材料，將電能存儲並進一步轉化為機械能，這也是一個電離子的流動導致宏觀應變的過程。

此前，科研人員認為 IPMC 材料驅動機制是電容致動機理，在驅動電壓刺激下，一定數量的離子在電極層中的預膨脹、嵌入、嵌出，引起電極材料的可逆膨脹與收縮效應，這種效應導致了驅動器的宏觀應變。但是，不同於以往經驗，此次科研人員提出的這種新型分子驅動機制——石墨炔烯炔互變效應，是基於可逆配位轉換效應引起的材料結構變化。

基於石墨炔材料的烯炔互變分子驅動機制示意圖（a離子嵌入石墨炔導致分子鏈發生變形，這是一個電-機械轉換過程；b離子與石墨炔功能單元配位作用）。

在電場作用下，基於石墨炔材料的烯炔互變分子驅動機制導致材料微觀結構發生形變，無數的這種微觀形變疊加到一起，最終導致了人工肌肉的宏觀變形，從而實現電能到機械能的轉換。這種轉換能將人工肌肉的能量密度提高到11.5 KJ m-3，遠遠超過哺乳動物生物肌肉能量密度（剛才我們說到，泰拳選手的肌肉能量密度也只是10.3 KJm-3。）。

這意味著，如果將這種高能量密度的人工肌肉做成戰衣穿在身上，就能夠秒變鋼鐵俠去拯救世界了，省去了在健身房擼鐵苦練的煎熬，為廣大身患懶癌的健身愛好者帶來了福音！

作者：陸超

來源：中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所