摘要：蔚山国立科学技术学院的研究团队开发出一种革命性的人造肌肉材料，能够在柔软灵活和刚性坚固之间实现无缝转换，其性能指标远超自然肌肉组织。这种仅重1.25克的微型人造肌肉可以支撑高达5公斤的重量——相当于自身重量的4000倍，同时在软化状态下可拉伸至原始长度的12倍
蔚山国立科学技术学院的研究团队开发出一种革命性的人造肌肉材料，能够在柔软灵活和刚性坚固之间实现无缝转换，其性能指标远超自然肌肉组织。这种仅重1.25克的微型人造肌肉可以支撑高达5公斤的重量——相当于自身重量的4000倍，同时在软化状态下可拉伸至原始长度的12倍。更令人震惊的是，该材料的收缩应变达到86.4%，是人体肌肉40%应变的两倍多，其工作密度高达1150 kJ/m³，比人体组织高出30倍。
这项发表在《先进功能材料》期刊上的研究由机械工程系教授Hoon Eui Jeong领导，成功解决了软体机器人领域长期存在的"强度与柔性"矛盾难题。传统的人造肌肉材料往往面临二选一的困境：要么具备高度灵活性但力量有限，要么拥有强大力量但缺乏柔性。这种新材料的突破性在于其独特的双交联聚合物网络设计，使得同一材料能够根据需要在不同物理状态间切换。
材料科学的创新突破
示意图，说明了磁性人造肌肉的双交联策略和热机械驱动机制。图片来源：Advanced Functional Materials （2025）。DOI：10.1002/adfm.202516218
这种人造肌肉的核心技术在于其精巧的分子结构设计。研究团队创造了一个双交联聚合物网络，其中化学键通过共价键形成，提供基础的结构强度，而物理相互作用则通过热刺激进行形成和破坏，赋予材料卓越的可调节柔性。这种设计理念借鉴了自然界中生物肌肉的工作原理，但在性能上实现了质的飞跃。
更值得注意的是，研究人员在材料内部嵌入了经过表面处理的磁性微粒，这使得外部磁场能够精确控制材料的运动和变形。这种磁驱动机制不仅提供了远程控制的可能性，还在实验中成功展示了利用磁场驱动提升重物的能力，为实际应用奠定了坚实基础。
从材料工程学角度来看，这种人造肌肉的工作密度表现尤为突出。工作密度指标反映了肌肉每单位体积能够提供的能量输出，长期以来，实现高工作密度和高拉伸性的结合一直是材料科学领域的重大挑战。该研究团队通过创新的材料配方和结构设计，成功克服了这一技术瓶颈。
Jeong教授在解释这一突破时表示："这项研究克服了传统人造肌肉的根本局限性——要么高度拉伸但较弱，要么强壮但僵硬。我们的复合材料能够同时实现这两种特性，这为更通用的软体机器人、可穿戴设备和直观的人机界面开辟了全新的可能性。"
变革性应用前景
这种新型人造肌肉材料的问世将为多个技术领域带来革命性变化。在软体机器人领域，材料的可变刚度特性意味着机器人可以在执行不同任务时调整自身的物理特性——在需要精细操作时保持柔软灵活，在承受重载时瞬间变得刚性坚固。这种适应性将大大扩展软体机器人的应用范围，使其能够在更复杂多变的环境中工作。
医疗辅助技术是另一个充满潜力的应用领域。传统的假肢和医疗器械往往在灵活性和承重能力之间难以平衡，而这种新材料的出现为开发更接近自然肌肉功能的医疗设备提供了可能。患者可能很快就能使用到既能进行精细动作又具备强大力量的仿生肢体，大大提高生活质量。
在可穿戴设备领域，这种材料的应用前景同样广阔。从智能服装到外骨骼系统，材料的可变特性使得设备能够根据用户的需求和活动类型自动调节支撑强度。例如，在日常穿着时保持舒适柔软，在需要额外支撑时立即提供强大的辅助力量。
工业自动化领域也将从这一技术突破中受益。制造业中的机械臂和抓取装置可以利用这种材料的特性，在处理精密部件时保持轻柔的触感，在搬运重物时展现强大的力量，实现真正的多功能一体化设计。
技术挑战与未来发展
尽管这项研究取得了显著突破，但要实现大规模商业化应用仍面临诸多挑战。首先是材料的制造成本和批量生产技术。目前的实验室制备工艺需要精密的控制条件和特殊的原料，如何将其转化为可规模化生产的工业流程是亟待解决的问题。
材料的耐久性和使用寿命是另一个关键考量因素。虽然实验显示了优异的性能表现，但在长期反复使用后材料特性是否会发生衰减，以及在不同环境条件下的稳定性如何，都需要进一步的验证和优化。
控制系统的复杂性也是技术推广的潜在障碍。要实现材料刚度的精确调控，需要配套的传感器、控制电路和算法支持，这增加了整体系统的复杂性和成本。
然而，随着材料科学、控制技术和制造工艺的不断进步，这些挑战正在逐步得到解决。多个研究团队和企业已经开始关注这一技术方向，预计在未来5-10年内将看到基于类似原理的产品进入市场。
国际材料研究界对这一突破给予了高度关注。专家认为，这种可变刚度材料不仅在技术上具有重要意义，更重要的是它为材料设计提供了新的思路和方法论。通过在分子层面精确设计材料的相互作用机制，科学家能够创造出具有前所未有功能组合的智能材料。
这项研究的成功也体现了跨学科合作在现代科学研究中的重要性。材料科学、机械工程、控制理论和生物学的融合，为解决复杂技术问题提供了新的路径。随着这种合作模式的不断深化，我们有理由期待更多突破性的创新成果。
来源：人工智能学家