从生物软组织中汲取灵感，欧博人造材料在一系列应用方面取得了重大进展，如干燥粘合剂、组织工程、生物集成电子、人造肌肉和软体机器人。以肌肉为代表的许多生物组织表现出定向依赖的机械和电性能。与分子工程相比，结构设计，如二维(2D)和三维(3D)的纤维网络设计，提供了一种简单、可伸缩、易于定制的途径，以定制非线性力学的人工软材料。尽管最近取得了重大进展，但仍存在一些挑战。首先，在人工材料中，没有任何策略可以同时实现程序设计的机械和电气各向异性。其次，肌肉通常在被动(松弛)和主动(收缩)状态下表现出明显的非线性机械反应。目前还缺乏能够模拟这种适应性的人工材料。

近日，密苏里大学哥伦比亚分校闫政、清华大学张一慧合作，提出了具有程序化机械和电各向异性的软弹性体复合材料的仿生概念、设计原理、数值建模和实验演示，欧博娱乐以及它们与活性功能的集成。通过机械组装，聚酰亚胺的三维结构作为骨架提供各向异性、非线性的机械性能，而弯曲的导电表面提供各向异性的电气性能，可用于构建生物电子器件。有限元分析定量地捕捉了控制弹性体复合材料力学各向异性的关键方面，提供了一个强大的设计工具。将热敏聚己内酯三维骨架与弹性体复合材料结合，可以开发一种活性人工材料，可以模拟骨骼肌肉在松弛和收缩状态下的自适应力学行为。此外，各向异性弹性体复合材料的制备工艺与介电弹性体驱动器兼容，在类人人造肌肉和软机器人方面具有潜在的应用前景。相关工作以“Bioinspired elastomer composites with programmed mechanical and electrical anisotropies”为题发表在最新一期的《Nature Communications》上。密苏里大学凌云和清华大学庞文博是该文共同第一作者

图1. 机械和电各向异性弹性体复合材料的仿生设计

在图1中，研究者以创建弹性体复合材料为例，提出了设计概念，该复合材料可以定量模拟心肌组织(心室心肌)的各向异性力学和电学特性。如图1a所示，优先定向的心肌细胞被束扎在波纹状的胸膜周围胶原纤维中，可沿周向(CIRC)和纵向(LONG)轴产生定向依赖的电和力学特性。此外，在单轴拉伸时，组织呈现出J型的应力-应变响应，这是因为波动型胶原纤维在初始阶段首先沿着加载方向解开，然后开始变直。如图1b、c所示，生物启发设计概念包括机械组装的三维聚酰亚胺骨架(PI;弹性模量:~2.5 GPa)在软弹性基体(硅;弹性模量:~ 60-330 KPa，取决于材料选择)，与工程皱折导电表面集成。所制备的弹性体复合材料具有合理设计的三维骨架和设计的弯曲导电表面，可以定量匹配心脏组织的各向异性力学性能(图1e)和电性能(图1f)，表明其在心脏集成植入和生物电子学方面具有潜在的应用前景。

图2. 基于机械装配三维骨架的弹性体复合材料非线性力学响应及基本设计准则

为了满足开发各种仿生材料用于不同应用的潜在需求，研究者利用联合有限元计算和实验验证来研究弹性体复合材料的设计规则，以提供确定性定制的、非线性的J形应力应变响应(图2)。本文主要研究了直线和弧线两种类型的三维骨架设计。

图3. 弯曲的各向异性导电表面

如图3a-c所示，采用皱褶表面分层结构，使弹性体复合材料具有预期的电各向异性。在这里，使用O 2等离子体处理来诱导薄而坚硬的表面层(SiO 2;厚度~3 μm)，然后涂覆导电材料(PEDOT:PSS、AgNWs或其杂化材料;厚度小于100纳米)。弯曲导电表面的几何形状可以通过调节施加的预应变来定制，提供了一种调整电各向异性的方法。

图4. 仿生弹性体复合材料电热响应的自适应非线性力学响应及设计规则

图5. 与介电弹性体驱动器集成

研究者已经证明各向异性弹性体复合材料可以与介电弹性体驱动器集成在一起(图5a)，这表明开发具有仿生各向异性特性的类人人工肌肉和软机器人的潜力。图5b展示了各向异性弹性体复合材料与心形介质弹性体驱动器的成功集成。从图5c-d的光学图像可以看出，在三维骨架区域内，AgNWs柔性电极在大拉伸后保持良好(ε x = ε y = 80%)。

小结：本研究中报告的设计理念、制造策略和定量设计方法，为具有确定性定制、各向异性机械和电气性能的生物启发软材料提供了直接的途径。该方法适用于设计和制造一系列具有各种理想性能的软功能材料。研究包括与几个主动功能的成功集成(生物电位传感器、生物电子刺激器和介电弹性体驱动器)，以及具有类似骨骼肌自适应机械性能的电热响应人工材料的开发。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-022-28185-z