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、濕度變長變短
“未來用于肌肉萎縮病人，代替肌肉移植”
■ 對話人物
南開大學劉遵峰教授。
近日，南開大學藥物化學生物學國家重點實驗室劉遵峰教授團隊，研獲純蠶絲人工肌肉，未來這種純蠶絲人工肌肉可應用于肌肉萎縮、皮膚移植患者身上。此項成果公布后，隨即引發(fā)關(guān)注。
人工肌肉模擬的是人類、動物的肌肉
新京報：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、動物的肌肉，能夠進行一定的運動。通過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)生伸長收縮、彎曲等運動。
新京報：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機材料組成。高分子是一個大類，其包括的材料有很多，比如說形狀記憶高分子，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原來的形狀。如果這些形狀能夠反復運動和使用，那么它就是一個很好的人工肌肉制作材料。
另一種主要材料是無機材料，比如形狀記憶金屬就可以用來制作人工肌肉，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，它也是一種無機材料，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：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，或者很難對人體溫度或濕度進行響應。純蠶絲人工肌肉最大的不同就在于應用了蠶絲，可以直接對人體變化進行響應，未來我們也可以將這一材料直接應用到人體上。
中國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，它的價值就會大大增加。未來，這種新型智能衣料將會取代普通衣料，能根據(jù)外部環(huán)境實現(xiàn)運動和形狀變化，包括收縮、伸長、旋轉(zhuǎn)。
新京報：純蠶絲人工肌肉可以應用于哪些領(lǐng)域？
劉遵峰：人工肌肉應用在機器人上會非常笨重，純蠶絲人工肌肉的應用能使機器人質(zhì)量更輕，更靈活，可以進行即時反應。純蠶絲人工肌肉最主要應用于人體可穿著的智能織物上。我們在實驗室用其材料制作的衣服，天熱時人體出汗就會有濕氣，這種衣料感受到水分后，衣服袖子會自動縮短，天冷能變成長袖。
新京報：什么時候可以投入市場？
劉遵峰：這個技術(shù)目前還是一個實驗室技術(shù)，如何讓純蠶絲人工肌肉成為生產(chǎn)面料、衣料，這些具體的問題可能還需要和更專業(yè)的紡織企業(yè)合作完成。不過目前我們已經(jīng)突破了最核心的技術(shù)，但還有一段路要走。
將來應用于肌肉萎縮等病人身上
新京報：純蠶絲人工肌肉還有哪些拓展研究？
劉遵峰：我們的目標是將純蠶絲人工肌肉技術(shù)繼續(xù)進行拓展研究，將來應用于肌肉萎縮等病人身上，以其代替肌肉移植，并適應人體的環(huán)境，能夠發(fā)生適當?shù)氖湛s等運動，且產(chǎn)生一定的力，以達到人類肌肉的功能。“這一成果的應用，將會成為醫(yī)學領(lǐng)域的一項重大突破。”
除此之外，純蠶絲人工肌肉還可應用于航空航天、微型機器人、傳感器、精密控制等多個領(lǐng)域。
新京報：耗時多久研發(fā)出純蠶絲人工肌肉？
劉遵峰：這個課題我們從2016年6月開始進行，2018年12月基本完成，一共耗時兩年半。我們是南開大學藥物化學生物學國家重點實驗室，這是一個交叉學科的平臺，而我的教育背景是化學和材料，因此我們重點實驗室就有很強的生物和醫(yī)學背景，所以說接觸了很多生物方面的相關(guān)材料和知識領(lǐng)域。
人工肌肉其中有一種很重要的是纖維人工肌肉，通過將這種纖維進行加捻，利用其膨脹可以產(chǎn)生運動。之前的人工肌肉很少使用天然材料，而我們在研究中發(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)，我們把蠶絲通過加捻技術(shù)做成一種純蠶絲人工肌肉。
不想引入任何化學手段用于智能材料
新京報：研究期間都遇到過哪些困難？
劉遵峰：遇到的第一個難題就是我們不想引入任何化學手段。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、采用化學反應等，但化學物質(zhì)對人體有傷害，我們研發(fā)初期一直在嘗試怎么通過物理方式達到同樣的效果。
另一個難點，主要是考慮如何讓純蠶絲人工肌肉的制作過程符合工業(yè)化流程。目前市場上蠶絲材料的加工和處理方式只是讓材料結(jié)實、舒適、壽命長，并沒有伸縮效果。我們實驗室就開始研發(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)化的標準，這期間做了大量詳細的、工藝上的研發(fā)。
還有一個技術(shù)上的問題，使用加捻技術(shù)過程中，松開捻力之后能不能還有力。舉個例子，我們給一根線加捻，但是捻完一松它就會松開，無法達到預期的伸縮效果。因此，在實驗和研發(fā)過程中，我們通過熱處理的方式將其固定住，攻克了這一難題。
新京報：實驗室在研發(fā)和未來發(fā)展方面還有哪些計劃？
劉遵峰：我們接下來的研究方向一個是繼續(xù)開發(fā)新型材料，蠶絲只是我們的一個小小嘗試，未來我們還會開發(fā)更多的新型材料；第二個是如何把新型材料應用到新型領(lǐng)域。另外，我們這段時間打算和一些企業(yè)和研究所進行合作，將純蠶絲人工肌肉進行大規(guī)模投入市場的嘗試。
先進制造領(lǐng)域是目前我們國家非常重視的科研和產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，這一領(lǐng)域必須通過多學科交叉才能完成，僅僅靠一個領(lǐng)域突破還遠遠不夠。學科交叉共榮是一種趨勢，目前我們和天津醫(yī)科大學、中國藥科大學都在進行合作，在醫(yī)學藥學等領(lǐng)域進行合作，互相發(fā)揮優(yōu)勢用途。
■ 話題焦點
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在于其應用了蠶絲，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，其可通過感知環(huán)境溫度、濕度實現(xiàn)自動伸縮，變長變短。
如果真正的純蠶絲人工肌肉能夠開發(fā)出來，應用到人體機器人、智能裝備以及智能服裝上，那么裝備的整體質(zhì)量就會變得非常輕巧。
專家觀點
“真正植入人體，還有一些路要走”
南開大學藥學院院長楊誠告訴新京報記者，純蠶絲人工肌肉克服了人工肌肉原來使用高分子材料不適合穿戴，對體溫、濕度不敏感的缺點。楊誠說，人工肌肉的相關(guān)研究在行業(yè)內(nèi)一直是一個熱門話題，未來前景十分廣闊。
清華大學化學系副教授吉巖介紹，人工肌肉領(lǐng)域的研究目前正處于從研究轉(zhuǎn)向應用的階段。“目前，領(lǐng)域內(nèi)專家對人工肌肉的研究主要分為兩個方向，一是研究舊材料的性能如何提高、應用方向、如何投入應用，另一塊是對可應用于人工肌肉的新材料進行探索和研究。”
吉巖表示，如今，人工肌肉研究的材料種類越來越多，劉遵峰教授研發(fā)的純蠶絲人工肌肉是一個全新的材料應用。“目前人工肌肉很多材料都是通過醫(yī)療合成、化學合成方法得到的，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。”
“純蠶絲人工肌肉將來能不能真正植入人體，成為人體的一部分，這一點目前還有一些路要走。”吉巖說道。
新京報記者 劉名洋 實習生 王佳珺
