创新背景

高性能驱动材料能够在外部刺激下发生形变，如同机器部件一样收缩、弯曲或膨胀，因此也是发展机器人、假肢和智能服装的必要条件，而其技术核心是通过工程材料学来优化材料性能。

创新过程

受肌肉结构的启发，宾夕法尼亚州立大学的研究人员研创出一种纤维驱动器的新设计。它模拟了肌肉纤维的结构，并在能效、驱动应变和机械性能等多个方面比其他现有驱动器更优越。这一结果发表在《自然·纳米技术》（Nature Nanotechnology）杂志上。

在与机器人相关的技术方面，科学家们的关键任务是发明更加轻量和柔软的材料，使其大体上可以充当人造肌肉。于是研究小组将目光聚焦在水凝胶上。
水凝胶是由聚合物组成的网络，可以在保持结构的同时发生膨胀并吸收大量的水。在本项研究中，研究人员发现，由这种水凝胶材料制成的纤维，在水化和硬化时可以拉伸至几倍，而干燥后保持拉伸形态，加水或加热后复原。这种特性使得其有望成为驱动材料。
研究人员研究该结构时发现，收缩的纤维在许多方面和自然肌肉有相似之处。例如，这种材料由高度排列的纳米级结构组成，晶体和无定形区域交替排列，类似于哺乳动物骨骼肌的有序和条纹形态。

纳米尺度的刚性无定形域和微米尺度充满水的孔隙，使得水凝胶有独特的拉伸性能。当水凝胶被拉伸后，它们会像橡皮筋一样迅速回弹；如果在伸展状态下失水干燥，则水凝胶聚合物网络结晶，纤维定型为伸长形状。而拥有这些特殊属性的根本原因之一是，这种纤维在纳米尺度上组织得非常精确，类似于人类肌肉的肌节。当它们沿着单一方向收缩，就产生了回到原始状态的能力。
加水或加热条件下拉伸材料的晶体会融化，恢复到原来的形态。拉伸到原来长度的五倍时，这种材料可以恢复到原尺寸的80%以内，并且可以往复工作而保持性能。这种高性能驱动材料能通过热和水两种不同的方法进行刺激，而其他大多数驱动材料仅有一种触发机制，这也体现了它的多功能性。

创新价值

该研究提出一种纤维驱动器的新设计——利用水凝胶材质的制成纤维，模拟了肌肉纤维的结构，并在能效、驱动应变和机械性能等多个方面比其他现有驱动器更优越。