中科大《自然·通訊》：仿生電化學人造肌肉問世：低電壓觸發，自發收縮，無需持續供電

人工肌肉作為一種仿生驅動器，因具有驅動直接高效、操作簡便和運行安靜等優勢，在軟體機器人和仿生器件等領域備受關注。目前，研究者已開發出多種形態和響應模式的人工肌肉，其中電控策略（如電熱或電化學驅動）因可控性高而被廣泛采用。然而，現有的電子控制人工肌肉普遍面臨一個根本性局限：其驅動過程需要持續的電能輸入，導致能量利用效率低下。相比之下，自然肌肉的收縮遵循一種精妙的“觸發-收縮”兩步機制——首先由鈣離子暴露結合位點，隨后由三磷酸腺苷（ATP）水解提供能量完成收縮，這確保了精確控制與高效能量利用的結合。遺憾的是，此前尚未有人工肌肉能復現這一機制。

受此啟發，中國科學技術大學邸江濤研究員團隊開發了一種新型電化學人工肌肉，實現了低電壓觸發的自發收縮。該機制利用水相電解質中的三碘化物/碘化物（I??/I?）氧化還原對與卷曲的碳納米管（CNT）紗線相耦合。驅動過程由低于0.4V的電壓下電化學氧化I??生成I?而觸發，隨后，無需外部電能輸入，通過I?與I?的原位再生反應生成I??，即可驅動CNT紗線肌肉自發收縮。實驗表明，原始CNT紗線肌肉和經季銨陽離子修飾的CNT紗線肌肉分別實現了5.2%和15.5%的收縮行程。更重要的是，收縮狀態可在無電能輸入下穩定維持，并可通過施加反向電壓完全恢復至原始長度。相關論文以“Bioinspired electrochemical artificial muscles with low voltage redox triggering and spontaneous contraction”為題，發表在Nature Communications上。

為探究這一現象，研究者首先設計了兩電極系統進行測試。當電壓從0V正向掃描至0.4V（氧化峰電位約0.22V）時，CNT紗線產生了0.7%的收縮；而關閉電源后，紗線竟繼續收縮并最終在0.4V觸發下達到5.2%的行程，且該狀態可維持超過5小時（圖1c）。這種“無能耗保持狀態”顯著優于此前報道的CNT紗線肌肉。進一步研究發現，此現象的關鍵在于電化學注入的I??在CNT內部被氧化為I?，隨后I?與周圍電解質中的I?自發反應再生I??，該過程不斷將新的離子注入紗線內部，驅動其持續收縮（圖1b）。

圖1. 觸發式CNT紗線肌肉的示意圖 a. 骨骼肌收縮的基本機制。 b. 由碘物種觸發的CNT紗線肌肉的收縮過程。 c. CNT紗線肌肉的施加電壓及相應的收縮行程曲線。施加負載為3.5 MPa，所用電解質由0.1 mol/L KI和0.05 mol/L I?配制而成。

通過循環伏安法（CV）結合原位拉曼光譜和X射線光電子能譜（XPS）分析，研究團隊詳細揭示了這一耦合機制（圖2）。在低KI/I?摩爾比（如2:1）的電解質中，CV掃描顯示位于-0.39V和0.22V的一對氧化還原峰，對應于I??與I?的相互轉化（圖2a）。令人意外的是，紗線的長度變化并非簡單跟隨電壓變化：在正向掃描初期，紗線因I??注入而收縮（步驟①），隨后因I??氧化為體積較小的I?而短暫伸長（步驟②），接著，由于生成的I?與電解質中的I?反應再生I??，紗線再次自發收縮（步驟③），最后在反向電壓下恢復原長（步驟④）（圖2b）。原位拉曼光譜證實，在步驟②中CNT表面I??信號減弱并消失，對應I?的生成與積累；而在步驟③中I??信號再次增強，證實了其原位再生（圖2c-f）。掃描電鏡（SEM）圖像也清晰地顯示了不同狀態下CNT紗線表面形貌的變化（圖2g）。XPS結果進一步支持了這一轉化過程（圖2h）。值得注意的是，這種“觸發-驅動”耦合現象僅在KI/I?摩爾比低于10時出現，過高比例下快速的原位再生會抵消中間體積損失，但也未能帶來更大收縮行程。

圖2. CNT紗線肌肉的驅動機制 a. CNT紗線肌肉在-0.5 V至0.5 V之間以20 mV/s掃描的CV曲線。 b. CNT紗線肌肉在不同比例電解質中，于20 mV/s下完成一個完整CV循環期間的收縮行程曲線。 c-d. CNT紗線肌肉在不同充放電狀態下I??和I??的原位拉曼光譜。 e. 進行原位拉曼表征期間對應的電流和收縮行程隨時間變化曲線。 f. CNT紗線肌肉和本體溶液在由0.1 mol/L KI和0.05 mol/L I?配制的電解質中的拉曼光譜。 g. CNT紗線肌肉在不同充放電狀態下的表面形貌。 h. CNT紗線肌肉在不同充放電狀態下的I 3d XPS光譜。除特別說明外，施加負載為5.5 MPa，電解質由0.1 mol/L KI和0.05 mol/L I?配制。

在性能表征方面，研究顯示觸發電壓從0.1V增至0.4V時，截止前收縮從0.17%提升至0.63%，而觸發后自發收縮行程則從4%提升至5.2%；進一步增至0.5V時自發收縮仍維持約5.2%（圖3a-b）。該過程的觸發能耗極低，當觸發電壓為50mV時，觸發輸入能量僅0.105mJ，而肌肉可輸出0.0125mJ的收縮功，若僅計算觸發階段的電能，能量轉換效率高達11.9%（若將后續化學能計入總輸入，則整體效率約為1.1%）。同時，該肌肉展現出優異的負載能力，在3.5MPa應力下最大收縮達5.5%，工作容量在53MPa時達到270J/kg，是哺乳動物骨骼肌（40J/kg）的6.7倍（圖3d）。掃描速率降低時，離子有更充裕時間擴散，收縮行程可增至6.8%（圖3e）。在-0.5V至0.5V之間以20mV/s循環掃描1160次后，收縮行程僅衰減7%，展示了良好的循環穩定性（圖3f）。

圖3. CNT紗線肌肉的驅動性能 a. CNT紗線肌肉在3.5 MPa負載下，電壓從-0.5 V掃描至不同觸發電壓時的收縮曲線。 b. 不同觸發電壓下對應的截止前收縮和自發收縮。 c. CNT紗線肌肉在不同負載下的截止前收縮和自發收縮（截止前掃描速率為10 mV/s，電壓在0.4 V處截止）。 d. CNT紗線肌肉在-0.5 V和0.5 V之間以10 mV/s掃描時，收縮行程和工作容量隨負載的變化。 e. CNT紗線肌肉在不同掃描速率下的收縮行程。 f. CNT紗線肌肉在-0.5 V和0.5 V之間以20 mV/s循環掃描時的循環穩定性。

【性能優化與應用展示】

為進一步提升性能，研究者引入季銨陽離子（QA?）對CNT紗線進行電化學修飾。QA?可通過弱路易斯酸堿作用與聚碘陰離子結合，從而增強I??的插入量。實驗表明，隨著季銨陽離子烷基鏈增長，其化學硬度降低，對I??親和力增強（圖4c-d），收縮行程也隨之提高。其中，四辛基銨（TOA?）修飾效果最佳，將最大收縮行程從6%提升至9.7%（圖4b）。修飾后的紗線在CV掃描中不再出現中間伸長現象，表明離子插入更穩定（圖4e）。在0.02Hz頻率下，TOA?修飾紗線在整個充電過程中持續收縮，行程達11.2%，而原始紗線在15秒后便進入平臺期（圖4i）。優化TOA?濃度為0.1mol/L時，在±0.5V的低電壓窗口內，收縮行程進一步提升至15.5%。

圖4. 季銨陽離子對CNT紗線肌肉的改性 a. TOA?改性CNT紗線肌肉在I??/I?氧化還原對中增強驅動性能的示意圖。 b. 不同烷基鏈長的季銨陽離子改性的CNT紗線肌肉的收縮行程比較。 c. 用于計算化學硬度的季銨陽離子的HOMO-LUMO能級。 d. 季銨陽離子的化學硬度隨烷基鏈長度增加而降低。 e. 原始和TOA?改性CNT紗線肌肉在-0.5 V和0.5 V之間以20 mV/s掃描時的收縮行程。 f. TOA?改性CNT紗線肌肉在不同負載下的收縮行程和工作容量。 g-h. 原始和TOA?改性CNT紗線肌肉在不同頻率下的動態驅動響應。 i. 原始和TOA?改性CNT紗線肌肉在0.02 Hz下的收縮曲線比較。

為實現實際應用，研究者開發了凝膠封裝的準固態人工肌肉。他們將含有KI/I?電解質與海藻酸鈉的混合液包裹CNT紗線，并通過噴淋乳酸鈣溶液誘導鈣離子交聯形成凝膠殼（圖5a）。這種封裝方式使肌肉能在液態電解質外操作，且兩個凝膠封裝紗線可通過氫鍵輕松自粘合組成肌肉對（圖5b），CV曲線證實了離子在兩電極間的高效遷移（圖5c）。該封裝肌肉對在施加電壓下實現了約3.5%的收縮，且多次分離與重新粘附后性能保持良好。作為演示，該肌肉對在施加+0.5V電壓時成功將仿生手臂提升5毫米，而在-1V時保持伸長狀態（圖5d）。更引人注目的是，利用其無需持續供電即可維持收縮的特性，研究者構建了一種智能閥門。該閥門在施加+0.5V正向電壓后關閉，并在電壓移除后保持閉合狀態，有效阻止液體泄漏；僅當施加-0.5V反向電壓時閥門才重新開啟（圖5e-f）。這一特性使其在需要長時間保持收縮狀態的生物醫學應用（如括約肌功能替代）中極具前景。

圖5. 觸發式CNT紗線肌肉的應用演示 a. 封裝型電化學人工紗線肌肉的制備和工作過程（SA：海藻酸鈉；CL：乳酸鈣）。 b. 封裝型電化學系統的自粘附能力。 c. 封裝型肌肉對在20 mV/s下的CV曲線。 d. 封裝型肌肉提升仿生手臂。 e. 智能閥門的示意圖。 f. 智能閥門的工作過程。

【總結與展望】

綜上所述，該研究開發了一種新型電化學人工肌肉機制，賦予紗線肌肉低工作電壓、觸發式自發收縮及無能耗保持狀態等卓越特性。通過在電解質中引入I??/I?氧化還原對，利用I?與I?的強結合能力實現活性離子的原位生成；而季銨陽離子的電化學修飾則可有效增強驅動性能。利用鈣離子交聯制備的準固態人工肌肉，為突破傳統液態電解質環境限制提供了簡便有效的封裝策略。未來，通過篩選更適配的氧化還原對以進一步提升驅動性能，并拓展準固態封裝策略的普適性，有望推動這類人工肌肉在低外部能耗器件中的廣泛應用。