尽管电子产品的体积越来越小，但用于驱动运动的马达、液压装置和其他设备却顽固地抵制这一趋势。很难制造和组装微型机构，以提供力和处理所需的应力来驱动非常小的运动部件。在本周科学，几个研究团队展示了制造小型人造肌肉的研究进展——所有这些人造肌肉都使用微小的扭曲纤维来储存和释放能量。这种纤维可以应用于从微型机器人到医疗设备阀门的一切领域。

这些纤维通常包括尼龙或高密度聚乙烯等轻质聚合物，根据其重量，它们比人类肌肉更有力量。伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的机械工程师Sameh Tawfick说，当它们收缩时，一些可以举起超过自身质量1000倍的物体。Tawfick说，这种纤维可以让工程师在一个小空间里储存大量的能量，这“让他们做一些他们无法做的事情”。Tawfick与他人共同撰写了一篇关于该研究的观点的文章，发表在《科学》杂志的同一期上科学．

一种新的人造肌肉设计，本质上是一种小型的高科技版本的橡皮筋，用于推动轻木飞机。但法国波尔多大学(University of Bordeaux)的材料科学家、其中一项研究的合著者袁金凯(音)说，这些纤维在每次使用时都不需要缠绕。相反，它们是由一种“形状记忆”聚合物制成的，这种聚合物会随着材料温度的变化而扭曲和解开。

袁的团队是这样制造肌肉的:首先，研究人员将一种名为聚乙烯醇(PVA)的材料制成的2厘米长、直径40微米的纤维加热到高于所谓的编程温度。(超过这个温度，材料自然会变成一种形状;在它下面，材料可以带另一个。如果温度在这个阈值上下波动，材料就会在两种形状之间交替。)在扭曲纤维以储存能量之后，他们将其冷却以冻结其形状。袁说，当纤维再次加热到高于编程温度时，它很快就恢复了原来的形状。

虽然聚乙烯醇纤维可以储存大量的能量，但研究小组发现，在这种材料中加入3到5微米大小的氧化石墨烯薄片可以储存更多的能量。这是因为当纤维第一次被扭曲时，这些薄片会弯曲，从而像弹簧一样储存能量，但当纤维未被扭曲时就会释放能量。在该团队的实验室测试中，一种解捻纤维以每分钟600转的速度旋转一小块纸，持续整整5秒。为了展示这种纤维的储能能力，研究小组用它来驱动一艘玩具船。袁教授表示，从更实际的意义上讲，这种人造肌肉还可以用于医疗设备上的微型瓣膜的开启和关闭。

袁和他的同事们制造的纤维在扭曲和解开时提供扭矩，而其他团队开发的人造肌肉工作起来更像真正的肌肉:它们通过拉或提起物体来工作。由麻省理工学院的研究人员领导的一个团队发明了一种纤维，这种纤维可以拉伸到初始尺寸的1000%以上，并能举起650多倍于自身重量的物体。它们的工作原理与早期恒温器中的双金属条类似:这种纤维是由两种随着环境温度变化而以截然不同的速度膨胀的材料结合而成的，麻省理工学院的材料科学家、该研究的资深作者波琳娜·安尼克娃(Polina Anikeeva)说。

她的团队的新型人造肌肉含有高密度聚乙烯(HDPE)，这种塑料用于制造可回收的瓶子。它还有另一种材料，一种被称为弹性体的弹性聚合物，Anikeeva说。当这些物质的小块被加热并通过一个狭窄的喷嘴，它们结合并被拉伸成一根长而细的纤维。当纤维中的张力被释放时，弹性体收缩回原来的大小。这种变化反过来会导致纤维卷曲成类似于旧电话线的弹簧形状。当纤维被加热或冷却时，HDPE的膨胀或收缩速度比粘合在一起的弹性体快5倍左右，这往往会分别缩短或增加缠绕纤维的总长度。

当Anikeeva和她的同事们在4秒内将其中一根纤维加热14摄氏度时，人造肌肉的整体长度收缩了50%。在其他测试中，研究小组对纤维进行加热和冷却，以提升轻重量或弯曲小型机械臂。Anikeeva说，虽然这些测试可以举起克大小的重量，但大量的纤维束可以用来进行更重的举起或拖拽。她指出，直径更大的纤维或纤维束可以用于机器人或假肢。

另一个团队在本周的报告中报告了他们的工作科学用一种完全不同的方式处理人造肌肉。虽然它的设备是围绕着扭曲的纤维核心构建的，但肌肉的活跃部分实际上是围绕核心的一层薄薄的材料鞘。德克萨斯大学达拉斯分校(University of Texas at Dallas)的材料科学家、团队负责人雷·鲍曼(Ray Baughman)说，使用这种护套有几个好处。他指出，首先，它允许工程师使用更便宜的材料来制作纤维的核心。他和他的同事们已经开发出了以尼龙、丝绸和竹纱为核心的鞘驱动肌肉。他们的测试表明，纤维芯材料的选择不会显著影响其性能。

鲍曼说，制造鞘驱动的肌肉还有其他原因。他解释说，纤维的外部是环境刺激的地方，比如湿度或驱动其运动的某些物质的存在，可以更快地感受到。此外，离纤维中心最远的鞘层的膨胀和收缩比靠近纤维核心的等效变化产生更大的影响。

与其他团队不同，鲍曼和他的同事们开发出的纤维不仅能对温度变化做出反应。一些肌肉鞘暴露在乙醇蒸汽中会膨胀;另一些则用一种浸泡在葡萄糖溶液中会收缩的材料贴面。这些纤维可用于打开或关闭医疗设备的瓣膜，或挤压小袋和分发药物。鲍曼说，可以对汗液或水蒸气做出反应的纤维可以编织成“智能面料”，这种面料可以调整其编织的松紧度，在炎热潮湿的条件下变得更透气。另外，对有毒气体做出反应的涂料可以收紧织物编织，以保护人们应对化学品泄漏。

陶菲克说，“我对这些团队报告的进展感到非常兴奋”。“这项技术有着非常光明的未来。”