蜘蛛絲（S-silk）被譽為超級纖維，是世界上最堅韌的天然材料之一，其性能優於目前最好的高性能合成纖維。例如，Nephila pilipes蜘蛛絲的韌性約為160 MJ/m3，而防彈衣所用材料Kevlar的韌性約為50 MJ/m3。眾所周知，肢體的缺失會嚴重影響一個人的生活質量。因此，研究人員在積極探索了具有與人的肢體相似性能的機器人以用作假體。其中，肌腱驅動的傳輸系統是核心組件，需要類似於人肌腱的纖維將動力從執行器傳輸到關節。然而，當前由尼龍、硅橡膠或聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）製成的肌腱纖維具有低韌性，因此不能承受多次彎曲和拉伸循環。同時，這些纖維在狹窄的肌腱路徑會遭受很大的摩擦，進一步降低了其耐久性。故將傳輸自傳感系統的電信號的電線和其它纖維作為肌腱整合到人手大小的細長機器人手指上仍面臨巨大挑戰。此外，基於聚合物的導體通常表現出低韌性（<100 MJ/m3）和低導電性（<100 S/cm）。雖然金、鋁和銅等傳統金屬具有良好的導電性，但它們的韌性較低（~1-10 MJ/m3），因此這些材料不適合機器人應用。因此，目前還沒有同時具有高韌性、導電性和可拉伸性的材料或系統用於機械工程應用。
基於此，新加坡南洋理工大學的陳曉東教授和浙江大學的李德昌副教授 （共同通訊作者）聯合報道了一種基於蜘蛛絲的超強韌性肌腱，其韌性為420 MJ/m3、電導率為1077 S/cm（圖1a），其性能優於目前的柔性和可拉伸導體。該電肌腱由Nephila pilipes蜘蛛絲、單壁碳納米管（SWCNT）和聚（3，4-乙烯二氧噻吩）-聚苯乙烯磺酸鹽（PEDOT：PSS）製成。通過研究發現，該電肌腱在超過40,000次彎曲和拉伸循環後，其電導率沒有任何變化。當安裝到壓力傳感器上，並安裝在3D打印的類似人的機器人手指上時，該電肌腱可以使機器人手指響應並捕獲各種物體而不會損壞這些物體。因為電信號通過肌腱纖維從壓力傳感器和力信號到執行系統的穩定轉移。由於電肌腱可以向驅動系統和傳感系統傳輸信號，因此其可以安裝在細長的機器人手指上，而無需額外的電線或電路組件，從而極大簡化了任何機器人的設置。
圖1、蜘蛛絲複合材料的韌性和導電性
【圖文解讀】
如圖1所示，由於親水性PSS，PEDOT：PSS與加工後的S-silk具有良好的粘合性，從而形成保形的導電層。此外，將SWCNT引入到S-silk中以提高韌性。同時，SWCNT可以通過從PEDOT到SWCNT的電子密度轉移來進一步提高S-silk的電導率。通過樣品橫截面的拉曼光譜中的G帶確認了S-silk中存在SWCNT。隨著SWCNT的重量百分比增加（0-12.5 wt％），G帶的強度增加，但應力應變曲線直到12.5 wt％幾乎保持不變。由於在12.5和10 wt％SWCNT的複合材料之間機械性能沒有差異，故將含10 wt％SWCNT的蜘蛛絲複合材料用於機器人手指實驗。
耗散粒子動力學（DPD）模擬研究
為了瞭解SWCNT如何在微觀尺度上改善S-silk的力學性能，作者進行了DPD模擬。圖2a-b顯示了粗粒度S-silk複合材料的快照片。隨著應變的增大，非晶結構中的氫鍵斷裂。在S-silk複合物中，SWCNT與絲蛋白之間的相互作用比不使用SWCNT時的強度更高。當壓力進一步增加，由於SWCNT和絲蛋白之間的橋接效應，複合材料會經受更高的歸一化應力（圖2c-f）。在較低的臨界應變下，S-silk複合材料比S-silk斷裂更困難，表明該複合材料具有更高的韌性和更好的機械性能。在模擬中，將斷裂定義為穿過任何橫截面的橋數小於1。DPD模擬的韌性、楊氏模量和強度隨SWCNT wt％的變化與實驗數據非常吻合，表明SWCNT對於改善蜘蛛絲的機械性能非常重要。
圖2、DPD模擬中silk-SWCNT納米複合材料的典型力學測試
探究silk複合肌腱的耐久性
接著，作者使用含有10 wt％SWCNT的S-silk複合材料作為電肌腱，將電肌腱連接到機器人手指的內側，並使用基於硅樹脂的伸肌將其固定在適當的位置。當食指完全彎曲時，測量了機器人手指相對於垂直軸的角度變化以及肌腱長度的變化。食指在靜止狀態下的初始角度約為8°，當手指從0到5.2 cm被肌腱牽拉到其最終狀態時，角度變為73°，並且在整個彎曲過程耗時約1.5 s。為了確認S-Silk複合肌腱的耐久性，進行了循環彎曲試驗，並將結果與其它肌腱材料（天然S-silk、尼龍纖維、PDMS纖維等）進行了比較，發現韌性更高的材料顯然更耐久。基於韌性為420 MJ/m3的S-silk複合材料的手指在整個彎曲過程中可
承受40,000次循環，幾乎是天然S-silk的兩倍。進一步測試了手指舉重的能力，所有纖維的直徑保持在0.3 mm。S-silk複合纖維的手指可以舉起7.6 kg的重量（1051.1 N/mm2），與鋼纖維的手指（1292.5 N/mm2）相當，但遠高於尼龍的手指纖維（766.3 N/mm2）、商用碳纖維（604.7 N/mm2）、天然S絲（537.1 kg/mm2）和PDMS纖維（4.3 N/mm2）。
圖3、S-silk複合肌腱裝配在機器人手指上的性能
基於肌腱的機器人手的反饋與抓握過程
在機器人手的移動過程中，肌腱還需要穩定地傳輸來自反饋系統的信號。為此，作者設計了一種壓力反饋系統，以使手在握住物體時能感覺到手指的壓力。該壓力傳感器的靈敏度約為24.8 kPa-1，可以在4 ms之內檢測到0-1 kPa的壓力，滿足抓握實驗的要求。將壓力傳感器組裝在食指的尖端，並通過100 kΩ的電阻將其連接到肌腱。當手指彎曲時，肌腱的電阻幾乎保持不變。當我們以0、113、327和749 kPa的壓力觸摸傳感器時，手指分別彎曲0°、19°、32°和43°。較高的力會導致較大的彎曲角度（Movie 3）。利用結合了S-silk複合電肌腱和壓力傳感器的機器人手來抓住綠色氣球，而不會使其形狀變形。當滿足停止壓力標準時，手指停止彎曲，使綠色氣球保持在三個手指之間的位置。這種基於肌腱的機器人手顯然足夠靈巧，可以執行對日常活動有用的基本抓握功能。
圖4、人形機器人手抓取物體時的反饋過程
參考文獻：A supertough electro-tendon based on spider silk composites . Nature Communications, 2020, DOI: 10.1038/s41467-020-14988-5.
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