水凝胶肌肉（左）和一块与碳纳米管结合之前的水凝胶。图片来源：KTH 皇家理工学院

瑞典和德国的研究人员开发了一种可以打碎砖块的微型机器人肌肉材料，其材料来源是木材。这种材料是一种专门开发的水凝胶，在低于 1 伏的电子脉冲控制下，可以根据需要变形、膨胀和收缩。

机器人只是这种材料的潜在用途之一，这种材料由从木材中提取的纤维素纳米纤维 (CNF) 制成。该技术还为医药和生化生产提供了可能性。

瑞典皇家理工学院的研究人员在《先进材料》杂志上发表了这一成果。

瑞典皇家理工学院纤维技术部研究员托拜厄斯·本塞尔费尔特 (Tobias Benselfelt) 表示，与利用加压空气或液体的力量扩张的机器人肌肉不同，这些水凝胶是由于电化学脉冲驱动的水运动而膨胀的。

这种材料的主要成分是水、作为导体的碳纳米管和来自木浆的纤维素纳米纤维。虽然这种材料是一种水凝胶，但当它与碳纳米纤维结合时，它看起来就像塑料条。

这种材料的强度来自于纳米纤维的取向，就像木纹一样。“纳米纤维水凝胶单轴膨胀，产生高压，”本塞尔费尔特说。“一块 15 x 15 厘米的纳米纤维可以举起一辆 2 吨重的汽车。”

通过在水凝胶中添加导电碳纳米管，可以通过电子方式控制材料的膨胀，这就产生了研究人员所称的电化学渗透水凝胶致动器。

该研究的共同作者、KTH 教授马克斯·哈梅迪 (Max Hamedi) 表示，该项目的灵感来自植物的生长方式。

“想想植物有多强壮，”哈梅迪说。“树木可以通过我们施加的相同力量长出人行道——我们只是用电子方式控制这种力量。”

“这项研究的一个令人兴奋的方面是，这种材料的孔隙率可以通过电子方式控制，”Benselfelt 说。孔隙率可增加高达 400%，这使得这些水凝胶成为电可调膜的理想材料，用于原位分离或分配分子或药物。

这种精确控制的膨胀也使得材料能够施加足够的力量来打碎一块小砖，研究人员在研究中证明了这一点。不过目前，研究人员设想它们的用途仅限于微流体中的阀门或开关等小型设备。“目前，它们呈薄片状，这限制了它们作为大型机器人的人造肌肉的用途，”哈梅迪说。

展望未来，水下机器人将成为机器人应用的可能之一。Benselfelt 表示，水下机器人可以在深海使用，因为水凝胶无法被水压压缩。

“总的来说，这是朝着栩栩如生的软机器迈出的一步。然而，这一愿景还非常遥远，”他说。

该技术的另一个好处是制造成本相对较低。该团队将继续优化材料、3D 打印电子肌肉，并研究如何将其规模化用于商业用途。

该研究由瑞典皇家理工学院和数字纤维素中心进行，马克斯普朗克智能系统研究所、林雪平大学和布伦瑞克工业大学的研究人员也参与其中。