在软体机器人、智能织物和假肢器件等前沿领域，能够模拟骨骼肌定向收缩与舒张功能的人工肌肉具有革命性应用前景。在各类驱动系统中，形状记忆聚合物因轻质、易加工且无需外部动力源而备受关注。然而，将高驱动性能与温和激活条件集于一身，一直是该领域的核心挑战。介电弹性体虽能提供高力输出和快速响应，却需高工作电压，存在安全隐患；液晶弹性体虽可实现大形变，但其热致相变温度通常较高且收缩应力有限；而基于纤维捻曲的人工肌肉则往往需要在超过100°C的高温下才能有效工作。因此，如何在接近人体安全的温和条件下实现高强度、大应变驱动，成为亟待突破的关键难题。

针对上述挑战，东华大学武培怡教授、侯磊副研究员团队通过层级结构工程，设计了一种基于双重响应形状记忆聚合物网络的人工肌肉。该材料通过将双尾季铵盐表面活性剂与聚丙烯酸进行离子复合，构建了具有纳米相分离结构的网络。其中，双尾表面活性剂在约42°C发生相转变，实现了温和热触发驱动。该人工肌肉在等长条件下驱动应力高达6.4 MPa，在无负载条件下驱动应变达79%，同时具备自可逆、无需外力的循环驱动能力，综合性能超越了现有大部分驱动器。相关论文以“Gentle yet powerful artificial muscles enabled by hierarchical structure engineering”为题，发表在Nature Communications上。

图1 人工肌肉的分子设计与驱动机制

水响应行为的结构基础

研究团队首先制备了聚丙烯酸（PAA）与双十八烷基二甲基氯化铵（DODMAC）的复合体系。在干态下，该材料表现为高强度、高模量的刚性塑料；而完全水合后，则转变为柔软、高弹且坚韧的水凝胶。

图2 PAA/DODMAC水响应行为的结构基础

热响应行为的分子机制

DODMAC的双长烷基链结构赋予材料显著的热响应特性。在20°C时，复合物因疏水结晶微域形成刚性物理网络，表现出798 MPa的高杨氏模量和14 MPa的拉伸强度；加热至60°C后，模量骤降至约62 MPa，呈现明显的刚柔转变。动态热机械分析确认了储能模量在40°C以上急剧下降，差示扫描量热法分别在42°C附近出现吸热峰、20°C附近出现放热峰，证实了可逆相变。变温红外光谱和二维相关光谱分析表明，烷基链在36°C附近发生有序-无序转变，且无序的CH₂基团对温度变化更为敏感，而离子复合物在此过程中保持稳定，为高强度驱动提供了结构支撑。同步辐射SAXS-WAXS进一步显示，加热至50°C以上时，烷基链堆积相关的尖锐散射峰几乎消失，证实了结晶熔融与层间距扩张的协同结构演化。

图3 干态PAA/DODMAC复合物热响应行为的结构基础

人工肌肉的制备与可编程驱动性能

研究者将PAA/DODMAC复合水凝胶通过空气干燥法制备成纤维状人工肌肉。该纤维在干态下呈现各向同性，但经水合拉伸后可实现高度取向，并在干燥后固定临时形状。当加热至相变温度附近时，纤维迅速收缩，驱动应变和速率取决于预编程形变：当预拉伸比从200%增至1000%时，最大驱动应变达79%，瞬时驱动速率高达107% s⁻¹。热驱动过程的连续照片清晰记录了纤维的快速收缩。显微观察显示加热时纤维表面出现褶皱，直接反映了结晶域熔融和链重排引起的宏观形变。在等长约束下，纤维产生的驱动应力随编程比增加而升高，1000%编程的纤维可产生6.4 MPa的驱动应力，约为天然骨骼肌的17倍。该应力来源于拉伸过程中分子链和结晶微域的取向与储能，在加热熔融时熵弹性恢复与相转变协同产生显著收缩力。

图4 PAA/DODMAC复合纤维的制备与驱动性能

工作效率、循环稳定性与可逆驱动行为

该人工肌肉采用刺激解耦机制：水合实现大幅预拉伸编程，脱水赋予高模量网络以输出高应力，热触发释放存储的熵能完成驱动。在提重实验中，预拉伸纤维加热后迅速收缩并提升重物，展示了热能向机械功的高效转换。在恒定应力下，驱动应变随外载增加而减小，但单位质量功密度在约1.5 MPa应力下达到峰值181 J/kg，约为天然肌肉的四倍。频率响应测试显示，在0.02~5 Hz范围内应变幅度随频率升高逐渐衰减。尤为突出的是，该纤维可在水与热协同作用下轻松重编程：水合后拉伸、干燥固定、再加热收缩，实现应力控制的可逆驱动。十次循环测试表明驱动与恢复应变高度一致，动态物理网络在反复相变和熵恢复中展现出优异的抗疲劳性。在等长条件下，纤维经50次以上周期加热仍能稳定产生可逆收缩应力，无性能衰减，模拟了生物肌肉的等长收缩功能，为微夹持器和自适应减震器等应用提供了新可能。

图5 PAA/DODMAC复合纤维的高效性能与可逆驱动

（来源：高分子科学前沿）