南開教授研獲純蠶絲人工肌肉；該材質(zhì)所制作衣服能根據(jù)氣溫、濕度變長(zhǎng)變短

“未來(lái)用于肌肉萎縮病人，代替肌肉移植”

■ 對(duì)話人物

南開大學(xué)劉遵峰教授。

近日，南開大學(xué)藥物化學(xué)生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室劉遵峰教授團(tuán)隊(duì)，研獲純蠶絲人工肌肉，未來(lái)這種純蠶絲人工肌肉可應(yīng)用于肌肉萎縮、皮膚移植患者身上。此項(xiàng)成果公布后，隨即引發(fā)關(guān)注。

人工肌肉模擬的是人類、動(dòng)物的肌肉

新京報(bào)：什么是人工肌肉？

劉遵峰：人工肌肉是一種新型的材料，這種材料模擬的是人類、動(dòng)物的肌肉，能夠進(jìn)行一定的運(yùn)動(dòng)。通過(guò)外界給人工肌肉一定的刺激，比如電、光、環(huán)境、溫度變化，就能夠使其發(fā)生伸長(zhǎng)收縮、彎曲等運(yùn)動(dòng)。

新京報(bào)：人工肌肉的材質(zhì)是什么？

劉遵峰：目前人工肌肉主要是由高分子材料和無(wú)機(jī)材料組成。高分子是一個(gè)大類，其包括的材料有很多，比如說(shuō)形狀記憶高分子，有一些記憶的高分子能把形狀記憶住，從而使材料在外界刺激下恢復(fù)原來(lái)的形狀。如果這些形狀能夠反復(fù)運(yùn)動(dòng)和使用，那么它就是一個(gè)很好的人工肌肉制作材料。

另一種主要材料是無(wú)機(jī)材料，比如形狀記憶金屬就可以用來(lái)制作人工肌肉，尤其是鎳鈦合金，這是一種很常見的人工肌肉制作材料。還有碳材料，它也是一種無(wú)機(jī)材料，像碳納米管、纖維這些都可以做人工肌肉。

純蠶絲人工肌肉主要用于智能織物上

新京報(bào)：純蠶絲人工肌肉與普通人工肌肉有什么區(qū)別？

劉遵峰：此前，人工肌肉主要是應(yīng)用到納米碳材料、高分子材料(如魚線)這些體系里，但這些材料都不適合穿著，或者很難對(duì)人體溫度或濕度進(jìn)行響應(yīng)。純蠶絲人工肌肉最大的不同就在于應(yīng)用了蠶絲，可以直接對(duì)人體變化進(jìn)行響應(yīng)，未來(lái)我們也可以將這一材料直接應(yīng)用到人體上。

中國(guó)的蠶絲有好幾千年的歷史，如今在世界上是一種非常重要的衣料。如果我們將普通的衣料做成智能的，它的價(jià)值就會(huì)大大增加。未來(lái)，這種新型智能衣料將會(huì)取代普通衣料，能根據(jù)外部環(huán)境實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)和形狀變化，包括收縮、伸長(zhǎng)、旋轉(zhuǎn)。

新京報(bào)：純蠶絲人工肌肉可以應(yīng)用于哪些領(lǐng)域？

劉遵峰：人工肌肉應(yīng)用在機(jī)器人上會(huì)非常笨重，純蠶絲人工肌肉的應(yīng)用能使機(jī)器人質(zhì)量更輕，更靈活，可以進(jìn)行即時(shí)反應(yīng)。純蠶絲人工肌肉最主要應(yīng)用于人體可穿著的智能織物上。我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室用其材料制作的衣服，天熱時(shí)人體出汗就會(huì)有濕氣，這種衣料感受到水分后，衣服袖子會(huì)自動(dòng)縮短，天冷能變成長(zhǎng)袖。

新京報(bào)：什么時(shí)候可以投入市場(chǎng)？

劉遵峰：這個(gè)技術(shù)目前還是一個(gè)實(shí)驗(yàn)室技術(shù)，如何讓純蠶絲人工肌肉成為生產(chǎn)面料、衣料，這些具體的問(wèn)題可能還需要和更專業(yè)的紡織企業(yè)合作完成。不過(guò)目前我們已經(jīng)突破了最核心的技術(shù)，但還有一段路要走。

將來(lái)應(yīng)用于肌肉萎縮等病人身上

新京報(bào)：純蠶絲人工肌肉還有哪些拓展研究？

劉遵峰：我們的目標(biāo)是將純蠶絲人工肌肉技術(shù)繼續(xù)進(jìn)行拓展研究，將來(lái)應(yīng)用于肌肉萎縮等病人身上，以其代替肌肉移植，并適應(yīng)人體的環(huán)境，能夠發(fā)生適當(dāng)?shù)氖湛s等運(yùn)動(dòng)，且產(chǎn)生一定的力，以達(dá)到人類肌肉的功能。“這一成果的應(yīng)用，將會(huì)成為醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的一項(xiàng)重大突破。”

除此之外，純蠶絲人工肌肉還可應(yīng)用于航空航天、微型機(jī)器人、傳感器、精密控制等多個(gè)領(lǐng)域。

新京報(bào)：耗時(shí)多久研發(fā)出純蠶絲人工肌肉？

劉遵峰：這個(gè)課題我們從2016年6月開始進(jìn)行，2018年12月基本完成，一共耗時(shí)兩年半。我們是南開大學(xué)藥物化學(xué)生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，這是一個(gè)交叉學(xué)科的平臺(tái)，而我的教育背景是化學(xué)和材料，因此我們重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室就有很強(qiáng)的生物和醫(yī)學(xué)背景，所以說(shuō)接觸了很多生物方面的相關(guān)材料和知識(shí)領(lǐng)域。

人工肌肉其中有一種很重要的是纖維人工肌肉，通過(guò)將這種纖維進(jìn)行加捻，利用其膨脹可以產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)。之前的人工肌肉很少使用天然材料，而我們?cè)谘芯恐邪l(fā)現(xiàn)，蠶絲和天然纖維都有很好的體積膨脹的效果。這種蠶絲的體積膨脹比較特殊，很好的一點(diǎn)就是它收縮速度特別快，蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和晶體結(jié)構(gòu)的變化都很特殊。基于這一發(fā)現(xiàn)，我們把蠶絲通過(guò)加捻技術(shù)做成一種純蠶絲人工肌肉。

不想引入任何化學(xué)手段用于智能材料

新京報(bào)：研究期間都遇到過(guò)哪些困難？

劉遵峰：遇到的第一個(gè)難題就是我們不想引入任何化學(xué)手段。如果想把材料變成智能材料有很多種手段，添加一些添加劑、采用化學(xué)反應(yīng)等，但化學(xué)物質(zhì)對(duì)人體有傷害，我們研發(fā)初期一直在嘗試怎么通過(guò)物理方式達(dá)到同樣的效果。

另一個(gè)難點(diǎn)，主要是考慮如何讓純蠶絲人工肌肉的制作過(guò)程符合工業(yè)化流程。目前市場(chǎng)上蠶絲材料的加工和處理方式只是讓材料結(jié)實(shí)、舒適、壽命長(zhǎng)，并沒(méi)有伸縮效果。我們實(shí)驗(yàn)室就開始研發(fā)如何制作出能伸縮的純蠶絲人工肌肉，并使其變成工業(yè)化的標(biāo)準(zhǔn)，這期間做了大量詳細(xì)的、工藝上的研發(fā)。

還有一個(gè)技術(shù)上的問(wèn)題，使用加捻技術(shù)過(guò)程中，松開捻力之后能不能還有力。舉個(gè)例子，我們給一根線加捻，但是捻完一松它就會(huì)松開，無(wú)法達(dá)到預(yù)期的伸縮效果。因此，在實(shí)驗(yàn)和研發(fā)過(guò)程中，我們通過(guò)熱處理的方式將其固定住，攻克了這一難題。

新京報(bào)：實(shí)驗(yàn)室在研發(fā)和未來(lái)發(fā)展方面還有哪些計(jì)劃？

劉遵峰：我們接下來(lái)的研究方向一個(gè)是繼續(xù)開發(fā)新型材料，蠶絲只是我們的一個(gè)小小嘗試，未來(lái)我們還會(huì)開發(fā)更多的新型材料；第二個(gè)是如何把新型材料應(yīng)用到新型領(lǐng)域。另外，我們這段時(shí)間打算和一些企業(yè)和研究所進(jìn)行合作，將純蠶絲人工肌肉進(jìn)行大規(guī)模投入市場(chǎng)的嘗試。

先進(jìn)制造領(lǐng)域是目前我們國(guó)家非常重視的科研和產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，這一領(lǐng)域必須通過(guò)多學(xué)科交叉才能完成，僅僅靠一個(gè)領(lǐng)域突破還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。學(xué)科交叉共榮是一種趨勢(shì)，目前我們和天津醫(yī)科大學(xué)、中國(guó)藥科大學(xué)都在進(jìn)行合作，在醫(yī)學(xué)藥學(xué)等領(lǐng)域進(jìn)行合作，互相發(fā)揮優(yōu)勢(shì)用途。

■ 話題焦點(diǎn)

據(jù)劉遵峰介紹，與普通人工肌肉相比，純蠶絲人工肌肉最大的特點(diǎn)在于其應(yīng)用了蠶絲，由于蠶絲具有很好的生物相容性，可以用到人體中。若使用這種材質(zhì)制作衣服，其可通過(guò)感知環(huán)境溫度、濕度實(shí)現(xiàn)自動(dòng)伸縮，變長(zhǎng)變短。

如果真正的純蠶絲人工肌肉能夠開發(fā)出來(lái)，應(yīng)用到人體機(jī)器人、智能裝備以及智能服裝上，那么裝備的整體質(zhì)量就會(huì)變得非常輕巧。

專家觀點(diǎn)

“真正植入人體，還有一些路要走”

南開大學(xué)藥學(xué)院院長(zhǎng)楊誠(chéng)告訴新京報(bào)記者，純蠶絲人工肌肉克服了人工肌肉原來(lái)使用高分子材料不適合穿戴，對(duì)體溫、濕度不敏感的缺點(diǎn)。楊誠(chéng)說(shuō)，人工肌肉的相關(guān)研究在行業(yè)內(nèi)一直是一個(gè)熱門話題，未來(lái)前景十分廣闊。

清華大學(xué)化學(xué)系副教授吉巖介紹，人工肌肉領(lǐng)域的研究目前正處于從研究轉(zhuǎn)向應(yīng)用的階段。“目前，領(lǐng)域內(nèi)專家對(duì)人工肌肉的研究主要分為兩個(gè)方向，一是研究舊材料的性能如何提高、應(yīng)用方向、如何投入應(yīng)用，另一塊是對(duì)可應(yīng)用于人工肌肉的新材料進(jìn)行探索和研究。”

吉巖表示，如今，人工肌肉研究的材料種類越來(lái)越多，劉遵峰教授研發(fā)的純蠶絲人工肌肉是一個(gè)全新的材料應(yīng)用。“目前人工肌肉很多材料都是通過(guò)醫(yī)療合成、化學(xué)合成方法得到的，而蠶絲與人體的相容性非常好，如果能作為一種植入人體的材料使用，在安全、環(huán)保等方面更有優(yōu)勢(shì)。”

“純蠶絲人工肌肉將來(lái)能不能真正植入人體，成為人體的一部分，這一點(diǎn)目前還有一些路要走。”吉巖說(shuō)道。

新京報(bào)記者 劉名洋 實(shí)習(xí)生 王佳珺