南京市民小季最近脚崴了，但是没有明显创伤，去医院看了也未发现骨折，医生建议她可以尝试康复治疗，例如戴上可穿戴式的设备，帮助受伤肌肉训练恢复。但她觉得这种方法既不方便也不美观。有没有一种具有修复功能的“创可贴”，哪里的肌肉受伤了就贴在哪里，既方便又可以反复使用?
江苏大学机械工程学院胡兴好副教授团队研制出一种生物胶带。这种基于纤维人工肌肉的生物胶带，贴敷在受伤或者萎缩的人体肌肉上，在外部施加小幅电压下，胶带就会自动收缩，从而带动肌肉组织的收缩，帮助受伤肌肉组织训练和恢复。近日，相关研究论文发表在国际期刊《美国化学会—纳米》上。
一篇小说启发人工肌肉应用
人工肌肉，是人们依照动物骨骼肌，设计出的具有高输出应变、高输出能量、高输出功率以及大负载能力的柔性驱动器。由于其体积小、运动自由度高、可以适应受限工作环境，因此在柔性骨骼、柔性飞行器、生物医疗、精准微创手术等领域有着广阔的应用前景。
胡兴好一直从事人工肌肉驱动机理的研究。2021年1月，他在《科学》杂志发表论文，提出了一种新型高性能电化学驱动人工肌肉，探索出了人工肌肉的全新驱动机理，“我们设计的新型电化学人工肌肉在一定频率范围内，随着驱动电压频率的增加，应变也会一直增加。”这为人工肌肉的实际应用向前迈出一大步奠定了坚实基础。当时，评审专家认为，这种新型人工肌肉的设计和理论分析都很完美。
近年来，胡兴好开始探索纤维人工肌肉在医疗健康事业方面的实际应用。
然而，一根纤维人工肌肉直径仅有100多微米，和头发丝差不多粗细，如果应用在外骨骼机器人等大型场景，对其能量、功率、材料等要求很高。胡兴好认为，细如牛毛的纤维人工肌肉，其应用还是要从小的方面入手。
胡兴好告诉记者，有一次他读了一篇科技小说，其中介绍了一个关于小鼠的生物实验，受伤的小鼠贴了膏药后恢复了肌肉功能。
这个描述让胡兴好大受启发，他想到把人工肌肉做成生物胶带，“普通医疗胶带是药物在起作用，有效性短，药物失效了就不能再使用;生物胶带发挥的是物理作用，用人工肌肉的收缩带动人体肌肉收缩，体积小，随时可用，而且可以反复使用。”而且，目前市场上还没有类似的生物胶带。
生物胶带基础材料雏形初现
为了使纤维人工肌肉能在医学上实际应用，需要进一步验证人工肌肉电化学驱动机理，并根据生物胶带的特殊要求解决结构设计和凝胶材质这两个关键问题。
为了让生物胶带轻便美观，胡兴好首先从改变电极结构入手，减轻生物胶带重量。过去，实验室采用的是单根纤维电极与其他电极材料组成的三电极系统;而在制作生物胶带中，采用两根纤维组成相对电极，重量大大减轻。经过测试表明，改变电极结构的生物胶带，性能基本不受影响。
随后，胡兴好把研究重点放在了纤维人工肌肉材料的改性上。
碳纳米管纤维是国际公认的制作人工肌肉的理想材料之一，加捻成螺旋结构的碳纳米管纤维可以在电热、湿度、光照、电化学等方式下进行驱动。
胡兴好解释，碳纳米管纤维有很多孔隙，在电化学电压作用下，电解液中的溶剂化离子会跑到碳纳米管纤维的孔隙中，从而使碳纳米管纤维的体积增大;再通过类似搓麻绳的加捻过程，将碳纳米管纤维体积膨胀转化为长度收缩。
但新的问题又出现了：碳纳米管纤维直接通电收缩效果非常明显，放在电解液中却一动不动，收缩应变只有1%。
胡兴好尝试在碳纳米管纤维中加入其他材料，通过大量的试验，找到了一种材料——聚苯乙烯磺酸盐。
数据表明，由碳纳米管纤维复合聚苯乙烯磺酸盐(PSS)制备出的纤维人工肌肉，其收缩应变提升到5%，输出应力也提升了近3倍。制作生物胶带的基础材料终于有了雏形。
通电即可带动人体肌肉运动
“以前，我们关注的是在外界电压作用下，纤维人工肌肉可以伸多长、缩多短;现在，设计生物胶带是为了带动人体肌肉运动，我们更关注纤维人工肌肉在长度不变的情况下能够产生多大的力。”胡兴好表示，生物胶带研究方向，已经从提升输出应变，转变成提升输出应力。
要让纤维人工肌肉在静止状态下产生更大的力，就好比让一个大力士在不动的状态下承受更多的重物，除了优化材料让更多数量的离子进入，还要增大每个进入离子的有效体积。其中，电解液的选择非常关键。
此前，胡兴好一直研究的是液态电解液，“水系电解液有自身缺陷，因为电压大了，水系电解液就变成了电解水。”胡兴好通过实验，努力寻找另一种液态电解液，最终从汽车电池的有机电解液中汲取灵感，采用了有机电解液，其输出应变大幅度提高了16%。
生物胶带是一种凝胶敷贴，在实际应用中，这种类似果冻的凝胶就充当了有机电解液，可以有效驱动纤维人工肌肉。胡兴好发现，电解液从液体变为凝胶后，纤维人工肌肉的性能明显衰减。
为了解决这个难题，胡兴好通过查阅文献和试验验证，不断更换凝胶的选型和浓度，花了一年时间，最终找到了合适的凝胶电解液。最终，通过实验证明纤维人工肌肉在凝胶电解液下的输出应变也能达到10%。
在胡兴好的实验室里，记者看到，两条涂覆凝胶的黑色纤维人工肌肉被固定在硅胶材料中，这就是生物胶带的雏形。把生物胶带贴在皮肤上，通上1至3伏左右的电压，会明显感觉到自己的皮肤和肌肉在随着胶带收缩。
胡兴好说，这相当于给人体肌肉施加外力，帮助受伤的肌肉康复。“如果将来应用到临床上，可以将柔性电池、柔性传感器和纤维人工肌肉一起封装在硅胶基体中，制成自供电、可穿戴的生物胶带，类似于柔性显示屏。还可以通过手机App操作和监控生物胶带的收缩效果，提升患者的体验度。”
目前，生物胶带还是实验室作品，还需要进一步优化，以解决更多的生物兼容性问题，基于纤维人工肌肉制作出生物胶带，也只是电化学人工肌肉的应用场景之一。
“科学研究就是不断探索的过程，会经历无数次失败，但是这些都会成为你研究的基石。”胡兴好表示，他计划进一步探索电化学驱动人工肌肉机理，在机理清晰的基础上广泛开展纤维人工肌肉的应用研究，例如仿生鱼、制作用于手部康复的康复手套、仿人机器人中的驱动模块、外骨骼机器人等。
(责任编辑：韩梦晨)
