仿“肌”材料越拉越强 柔性“外骨骼”问世有望

2019-02-12 16:09:55 来源: 科技日报

日本北海道大学研究人员近日在《科学》杂志上撰文指出,模仿骨骼肌的新型材料可在反复拉伸后变得更强健,未来有望用于制造柔性“机械外骨骼”。研究成果为制造出可长期使用、能随周围环境而调整和增强的材料铺平了道路。

北海道大学龚剑萍团队设计了一种具有双重网络结构的水凝胶材料,它由85%的水和两层高分子聚合物构成,一层硬而脆,另一层软而韧。这种水凝胶材料浸泡在一种含有单分子的溶液中,当水凝胶受到拉伸的力时,硬而脆的高分子链会断裂,单分子从周围的溶液中进入水凝胶材料,连接到高分子链上,形成新的聚合物网络,起到增强作用。

该材料的研发灵感源于人体骨骼肌的“锻炼生长”过程。例如,在健身房进行力量训练后,原有肌肉纤维会分解,血液会输送新的氨基酸促使形成更强纤维。如果将水凝胶材料看成“肌肉”,单分子溶液就是“血液”,单分子则扮演了“氨基酸”的角色。

研究显示,类似于骨骼肌进行长期力量训练,经过反复拉伸后,新型材料的强度和硬度可分别提高1.5倍和23倍,其中高分子聚合物的重量可以增加86%。研究人员还能够通过改变单分子种类将材料对力的反应变为对温度变化的反应,即在高温下加热,凝胶表面会变得更防水。

研究人员表示,他们开发的自生长凝胶材料,能够为骨骼损伤患者建造更灵活的柔性“机械外骨骼”,辅助患者康复和生活,这些“外骨骼”在使用过程中会变得更“强壮”和更有效。龚剑萍解释说:“由于不同类型的双重网络凝胶具有相似的机械特性,这一工艺可应用于各种类似凝胶,潜在的应用范围很广。”(实习记者 胡定坤)

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