生物组织具有复杂的层次结构，具有特定的功能，并为创造具有卓越特性的新型材料提供了灵感。例如，天然结构材料，如蚕丝、珍珠层、骨骼和牙齿，由于其层次有序的硬相和软相，显示出独特的力学性能。除了静态特性，生物材料还表现出对环境的节能和高精度动态响应。哺乳动物骨骼肌就是一个显著的例子。骨骼肌具有主动产生力量或产生运动的能力，以其多层次的层次结构而闻名，尤其是在单细胞（肌肉纤维）水平上具有高度有序和条纹的特征。重要的是，肌肉的驱动性能与它们的结构顺序直接相关，其中结构的紊乱会导致功能的严重失效。受天然肌肉的启发，人工肌肉和仿生致动器有可能彻底改变机器人、假肢和智能服装领域，导致其近年来的快速发展。虽然在复制肌肉纤维的驱动功能方面取得了显著进展，但模仿结构-功能相互作用在很大程度上被忽视了。人工肌肉发展的一个机遇是将高性能驱动材料与基于天然骨骼肌纤维的结构设计相关联。在这方面，纳米嵌段共聚物自组装由于其广泛的结构调节性和完善的指导理论，是一种理想的工具。随着合成策略和链结构的多功能性的发展，正在开发大量用于本体和溶液相纳米级自组装嵌段共聚物的应用，从日常用品（如粘合剂、涂料和包装）到高度工程化的产品（如治疗管理、有机电子和分离膜）。鉴于此，宾夕法尼亚大学Robert J. Hickey、华南理工大学郎超等人报告了一种开发纳米结构驱动材料的创新策略，该材料与哺乳动物骨骼肌纤维的结构和功能有着惊人的相似之处。通过使用纳米结构的嵌段共聚物，可以实现可逆和可回收的聚合物致动器。溶液相嵌段共聚物自组装和随后的应变程序结晶（strain-programmed crystallization, SPC）的结合被用来制造一类新的高性能软致动器/人造肌肉纤维。
哺乳动物骨骼肌纤维利用有序的纳米结构（例如交替的 I 带和 A 带）来实现高驱动应力、驱动应变和韧性。该研究采用了一种两步SPC方法，以获得具有可控交替纳米晶和非结晶区的纳米结构纤维，模拟肌肉纤维中的交替 I 带和 A 带。1）第一步是利用快速注射法触发亲水性聚环氧乙烷（PEO）和疏水性聚苯乙烯（PS）的自组装，形成由ABA型三嵌段共聚物制成的水凝胶纤维。2）第二步是使水凝胶纤维以特定的伸长率机械变形，然后进行空气干燥，这进一步在 PEO 中诱导结晶，并具有可控的纳米晶域形态。通过 X 射线散射表征，作者展示了量化纤维中结晶度、纳米晶域之间的间距和纳米晶域取向的能力。
图|通过由自组装 ABA 三嵌段共聚物制成的水凝胶的 SPC 制造纤维由于缺乏化学交联，这些纤维是可回收的，但仍显示出优异的机械性能。纳米晶畴可以有效提高纤维的韧性和拉伸强度等力学性能。更有趣的是，模拟肌肉有序纳米结构进一步赋予纤维活性特性，包括高驱动应力（高达 5.5 MPa）、驱动应变（高达 80%）和驱动效率（高达 75.5%），这些特性优于天然肌肉纤维的相应特性。纤维的驱动可以由热或水蒸气触发。当受到热作用时，由于PEO纳米晶畴的熔化，应变纤维释放其内应力，实现高达80%的收缩驱动应变。当暴露在水蒸气中时，由于非晶态PEO 域的膨胀，应变纤维可以在短时间内（例如，几秒钟）膨胀，但由于纳米晶畴的熔化，应变纤维可在长时间内（例如，完全水合）收缩。
图|纳米结构的人造肌肉纤维实现了非凡的机械和驱动性能
尽管该研究展示了有希望的驱动反应，但在实现纳米结构人工肌纤维的全部潜力之前，仍存在一些挑战。1）纤维的启动时间对特定刺激敏感。例如，在受热时，驱动时间由纤维的导热系数决定；当暴露于水蒸气时，驱动时间由纤维中的水扩散率决定。2）并没有建立定量模型来优化光纤的驱动性能；纤维的设计遵循Edisonian方法。3）人工肌纤维的制造依赖于纤维的极大机械变形，这大大限制了在受限空间中的制造。受肌肉纤维结构和功能的启发，由 ABA 三嵌段共聚物制备了具有高度排列的非结晶域和结晶域的纤维致动器。A 和 B 嵌段的玻璃状和半结晶性质分别是模拟骨骼肌结构和功能所必需的，很容易转化为不同的聚合物成分，以满足特定应用的材料要求。报道的纳米结构嵌段共聚物纤维表现出线性和旋转驱动运动，这些驱动运动是由三种不同的刺激（例如，水蒸气中的膨胀和加热或水合中的收缩/旋转）触发的。这种纤维的潜在应用包括手术机器人、智能衣服、触觉和触觉界面以及假肢。1. Lang, C., Lloyd, E.C., Matuszewski, K.E. et al. Nanostructured block copolymer muscles. Nat. Nanotechnol. (2022).https://doi.org/10.1038/s41565-022-01133-02. Lin, S., Zhao, X. Nanostructured artificial-muscle fibres. Nat. Nanotechnol. (2022).https://doi.org/10.1038/s41565-022-01149-6
