仿“肌”材料越拉越強 柔性“外骨骼”問世有望 研發靈感源于“鍛煉生長”過程

日本北海道大學研究人員近日在《科學》雜志上撰文指出，模仿骨骼肌的新型材料可在反復拉伸后變得更強健，未來有望用于制造柔性“機械外骨骼”。研究成果為制造出可長期使用、能隨周圍環境而調整和增強的材料鋪平了道路。

北海道大學龔劍萍團隊設計了一種具有雙重網絡結構的水凝膠材料，它由85%的水和兩層高分子聚合物構成，一層硬而脆，另一層軟而韌。這種水凝膠材料浸泡在一種含有單分子的溶液中，當水凝膠受到拉伸的力時，硬而脆的高分子鏈會斷裂，單分子從周圍的溶液中進入水凝膠材料，連接到高分子鏈上，形成新的聚合物網絡，起到增強作用。

該材料的研發靈感源于人體骨骼肌的“鍛煉生長”過程。例如，在健身房進行力量訓練后，原有肌肉纖維會分解，血液會輸送新的氨基酸促使形成更強纖維。如果將水凝膠材料看成“肌肉”，單分子溶液就是“血液”，單分子則扮演了“氨基酸”的角色。

研究顯示，類似于骨骼肌進行長期力量訓練，經過反復拉伸后，新型材料的強度和硬度可分別提高1.5倍和23倍，其中高分子聚合物的重量可以增加86%。研究人員還能夠通過改變單分子種類將材料對力的反應變為對溫度變化的反應，即在高溫下加熱，凝膠表面會變得更防水。

研究人員表示，他們開發的自生長凝膠材料，能夠為骨骼損傷患者建造更靈活的柔性“機械外骨骼”，輔助患者康復和生活，這些“外骨骼”在使用過程中會變得更“強壯”和更有效。龔劍萍解釋說：“由于不同類型的雙重網絡凝膠具有相似的機械特性，這一工藝可應用于各種類似凝膠，潛在的應用范圍很廣。”