肌肉的收缩和放松使动物能够完成各种鼓舞人心的动作。受到自然界中肌肉的出色表现的启发，人们对模仿运动、举升、旋转和弯曲等肌肉运动越来越感兴趣。在过去的几十年里，已经开发出几类类似肌肉的执行器。基于介电弹性体的致动器，刺激响应聚合物，形状记忆合金和碳复合材料为传统的电动、液压、气动和伺服系统提供了轻便、紧凑且具有成本效益的替代品。然而，这些人造肌肉存在诸如高驱动电位、低应变等问题，并且它们的时间响应能力仍然有限。
鉴于此，中国科学技术大学张世武教授、金虎副研究员和英国伯明翰大学唐诗杨博士开发了一种简单而可行的策略来制造具有低驱动电压、低滞后且可在水性环境中操作的液态金属人造肌肉（LMAM），它基于液态金属的电化学可调界面张力来模拟肌肉的收缩和伸展。LMAM可以在各种pH值（0-14）的不同溶液中工作，在15 mm s -1的最大延伸速度下产生高达87%的致动应变。更重要的是，LMAM只需要0.5 V的极低驱动电压。LMAM的驱动部件完全由液体构成，可避免机械疲劳并提供驱动器连杆，而不会对运动产生机械约束。LMAM用于开发多种概念验证应用，包括受控显示器、货物运输和可重新配置的光学反射器。LMAM的简单性、多功能性和效率通过使用它来驱动无绳仿生机器鱼的尾鳍得到进一步证明。所提出的LMAM有可能将软执行器的性能空间扩展到从工程领域到生物医学应用的应用。相关工作以“A Liquid Metal Artificial Muscle”为题发表在国际顶级期刊《Advanced Materials》上。
液态金属人工肌肉的组成与驱动
组装的单个LMAM单元由四个主要部分组成：一对基板、一对Cu焊盘、电解质和EGaIn液态金属液滴（图1）。下基底被固定并用于承载人造肌肉单元。负载可以固定在上基板上并向上或向下驱动。一对Cu焊盘分别键合在上基板和下基板上。应用电解质作为电子和离子传输的介质，用于界面张力的电化学控制。液态金属液滴（EGaIn）是LMAM的核心致动器，因为它提供变形和致动力。驱动LMAM的原则是，氧化时金属的张力显着降低，板间距离减小（收缩）。当还原时金属恢复到高界面张力状态，导致人造肌肉拉长（伸展）（即两板间隙增大）。LMAM的应变和应力分别达到45%和540 Pa。LMAM的伸展过程比收缩快，只需要约0.13s就可以恢复到初始状态。驱动期间从电源汲取的最大电流约为5.5 mA，平均功耗小于6 mW，而其他常用的电动人工肌肉形状记忆合金（SMA）需要几瓦的功耗。
图1液态金属人工肌肉的驱动
影响执行性能的因素
作者LMAM的行程和驱动力的影响因素（图2）。这种液态金属人造肌肉在0.25 Hz的4 V输入下表现出45%（高达 86%）的高应变，响应时间可以忽略不计，并且在1 V的电压下可在0.14秒内超快扩展。LMAM能够在较大的pH值和浓度范围，并在100 µL电解液中保持超过2小时的高耐久性。EGaIn提供最大的冲程，其次是Galinstan和液态Ga，而Galinstan 提供最大的驱动力，其次是液态Ga和EGaIn。LMAM的驱动性能可以通过按比例缩小而大大提高。通过连续操作和监测位移和力，进一步检查了LMAM的长期性能。LMAM由0.5 Hz（-0.5至4 V）的循环方波电压驱动近4000次循环，未观察到性能明显下降。
图2影响执行性能的因素
LMAM的应用
作者通过分别并联和串联组装LMAM单元来增加致动力和行程（图3）。增加液滴的数量有效地提高了LMAM的负载能力，具有8个液滴的LMAM能够在2 g的负载下收缩和伸展。作者还研究了LMAM在显示、货物运输、光学和机器人领域的应用（图4）。使用LMAM阵列的两种模式的“USTC”显示，其中单个LMAM处于收缩状态或扩展状态。通过改变电压可以轻松切换显示模式。LMAM的集成可以通过在特定位置收缩液滴形成上基板的倾斜，通过实现沿弯曲轨迹在基板之间转移货物以绕过障碍物来证明这种能力。此外，基于LMAM的反射器能够控制反射光在2D屏幕上的位置以形成各种图案。最后，作者设计了一种基于LMAM的具有单尾鳍的无绳仿生机器鱼，模仿鱼拍动尾鳍向前游动（图5）。通过调整胸鳍和尾部上方空腔的位置和重量来平衡鱼。这种鱼的驱动力来自尾鳍摆动所获得的反向力。尾鳍由两侧LMAM交替收缩和伸展驱动。在NaOH溶液中机器鱼可以以平均15 cm min -1的速度游泳。
图3多个LMAM单元的并联和串联组装
图4 LMAM的应用示例
图5基于LMAM的具有单尾鳍的无绳仿生机器鱼
小结：作者展示了一种基于液态金属液滴可逆和电控界面张力变化的新型人造肌肉。LMAM在低电压下具有高应变和超快扩展，并且能够在较大的pH值和浓度范围保持高耐久性。通过并联和串联组装人造肌肉单元，可以进一步提高行程和致动力。因此，仅由一个由LMAM制成的锂离子电池驱动的双模显示器、载货架、可重构光学反射器和仿生机器鱼显示出可控和可重复的驱动，证明了其作为大规模使用的驱动器的可能性。
全文链接：
https://doi.org/10.1002/adma.202103062
来源：高分子科学前沿
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