人造肌肉在外部刺激下经历几何或尺寸调制的反复循环，在下一代软机器人、智能服装、生物启发系统、植入式医疗强化等方面具有巨大潜力。在人造肌肉的几种不同驱动特性中，刺激响应聚合物基结构重量轻，高弹性和可加工性将有望解决传统液压和气动致动器的固有局限性。不幸的是，这些具有大的宏观形状变化的聚合物材料通常遭受固有的脆弱机械性能。在这方面，将刚性填料结合到定制的聚合物基质中的复合结构作为实现高机械性能、同时大的致动变形和其他功能的途径而引起研究关注。这种复合型致动器的主要研究方向集中在最佳的材料选择和合成后的宏观结构工程，如螺旋扭曲或卷绕，旨在最大限度地提高致动器性能。然而，对于实际意义上的人工肌肉系统，高度需要致动参数的理想组合，包括应变、应力、能量密度或功率，以及可靠的机械强度，以在致动和松弛状态下承受大的外部载荷。人类肌肉中的肌原纤维通过调整肌动蛋白和肌球蛋白组成蛋白的空间位置而线性缩短，而蛋白质的长度保持不变。动作电位的变化产生肌电(EMG)信号，在临床/生物医学应用中，该信号通常用于检测肌肉操作。鉴于此，韩国科学技术院Sang Ouk Kim等研究人员开发了一种哺乳动物骨骼肌启发的单纤维和束，其具有大而强的收缩驱动。在该合成肌纤维中，液晶弹性体(LCE)被选为大应变可逆驱动基质，通过向列相和各向同性相的柔性聚合物链段的热力学构象转变来操纵。遗憾的是，纯LCE驱动器的驱动功率和响应时间受到固有的弱机械性能和迟缓的热弛豫的限制。研究人员通过加入具有超大形状各向异性(平均横向尺寸<10 μm；层堆积<3 μm)的石墨烯填料来解决这一挑战，这些填料具有强大的机械性能和高导热系数，以及依赖于宽带吸收的出色光热转换特性。众所周知，液晶（LC）部分通过强π-π相互作用和氢键自发地自组装在石墨烯表面上。一维纤维几何形状中宏观取向的精确控制以及LC部分在石墨烯表面的强结合使得能够有效地放大机械性能，但是保留了真正的大的可逆致动（高达45%）。值得注意的是，考虑到这项工作中使用的石墨烯片的横向尺寸较大(1-10微米)，预计将有数百种以上的LC单体通过平面锚定在每个石墨烯填料表面进行多价组装。这种内在的分子亲和力在大的尺寸变化下稳定了分散的石墨烯填料的长程可逆组装和分解。石墨烯填料还在近红外（NIR）照射下刺激快速驱动，这源自先天的光热效应。最终的驱动性能分别达到650J/kg和293 W/kg的工作能力和功率密度，大约是人类肌肉行为的17和6倍。通过在定制的石墨烯薄膜上实现单个原纤维肌肉来制造人造手中的手掌和手指。可以远程控制每个手指，以便在NIR照射下快速操作，选择性弯曲和矫直，同时对电导率进行原位监测。最后，一种超轻全碳人工蠕虫（0.88 mg）可以通过光热操作在棘轮表面自爬行。此外，许多软肌纤维束可以容易地组装成分层束，模拟由肌原纤维组成的顺序聚集的肌肉组织（即，骨骼肌，束和肌纤维）。这为活体紧密复杂的驱动几何形状提供了一个模块化的结构平台，同时工作性能与收集的纤维数量成比例无限制地倍增(在这项工作中测试了多达1000股纤维束)。更有趣的是，高度各向异性的石墨烯填料网络的独特的可逆组装/拆卸优先在一维纤维约束中相当大的收缩驱动/恢复上优先在纤维轴方向上诱导，这很容易通过电测量(可逆~104倍电流变化)来监测。此外，渗流网络的可逆重新配置克服了在收缩致动状态下致动器纤维的固有机械弱化，以确保在整个致动循环中的机械耐久性，而不会中断致动和松弛的实质尺寸变化。据知，这是第一个具有热力学驱动的纳米级填料网络可逆渗流的纤维型软致动器。综上所述，研究人员利用分子水平亲密关系的协同材料设计获得了类似人类肌肉的致动器细丝和束，并实现了实际应用所需的驱动参数的理想组合。值得注意的是，伴随着石墨烯填料的可逆渗透不仅能够容易地监测致动行为，而且还选择性地在显著收缩下增强机械性能以确保可靠的仿生致动和运动。这种高能量合成驱动模式的大自由度开辟了一个有趣的平台，可广泛应用于智能服装、可重构物联网设备、可植入肌肉增强器、人形机器人等。Kim, I.H., Choi, S., Lee, J. et al. Human-muscle-inspired single fibre actuator with reversible percolation. Nat. Nanotechnol. (2022).https://doi.org/10.1038/s41565-022-01220-2
