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东方科技论坛第335次学术研讨会
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人工肌肉材料与生物医学工程应用前沿研讨会
第335期东方科技论坛“机器智能/群智智能学术研讨会”于2019年10月10日~11日在上海科学会堂举行。本次研讨会由复旦大学承办,复旦大学运动医学中心主任、华山医院运动医学科主任陈世益教授担任本次大会执行主席。来自全国各高校研究院所六十多位专家学者参加了本次研讨会。


  21世纪,科学技术的飞速发展,促使各类系统开始向微型化及智能化方向发展。生物体本身就是一种复杂而又高度智能的生物系统,即使在科学技术蓬勃发展的今天,科技前沿的机电系统也无法媲美最简单的生物体系统。例如肌肉,作为生物学上可收缩的组织,具有信息传递、能量传递、废物排除、能量供给、传动以及自修复功能,一直以来就是研究者开发驱动器灵感的来源。但早期的人工肌肉一般以机械装置作为载体,通过复杂的刚性模块连接构成,并且需要笨重的马达与传动装置进行驱动,难以在微纳工程以及生物医学等领域得到应用。近年来,随着新型智能高分子材料的快速发展,为人工肌肉的制造及应用提供了新的发展契机。这些新型智能材料,如液晶高分子、水凝胶、电绝缘橡胶以及形状记忆高分子,可根据外部环境刺激例如电、光、磁、热等变化呈现出各种复杂的形态变化,行为非常接近甚至优于真正的肌肉纤维。基于这些具有优异性能的材料,人们陆续制备出各种仿生柔性器件,例如可行走的水凝胶,具有自愈合功能的人造皮肤,可光控驱动内部液体运动的人工血管等,将在智能或仿生应用,特别是在生物医学领域发挥巨大的潜力。

从某种意义上来说,新材料的发展将决定现代科技的进步和发展,因此,拥有智能、柔性、仿生等特点的智能高分子材料的研究与探索己成为当代科学发展的热点方向,具有广阔的前景和巨大潜在应用价值。早在1998年英国就启动了Shadow计划,通过在人类生理学和解剖学领域进行研究,设计出了用空气肌肉组织作为执行器来模仿人类的肌肉组织的机器人。随后,美国科学家们又研制出了基于高分子凝胶的化学驱动人工肌肉和基于碳纳米管的气凝胶电驱动的人工肌肉,该类人工肌肉能够快速实现大应变且有超高弹力。2014年,Soft Robotics创刊,该期刊覆盖范围包括柔性材料制备、柔性驱动器和传感器、柔性结构的控制与仿真、软体动物的仿生结构与控制等方面,为构建柔性仿生执行器提供新的技术。而中国也投入了大量的人力和物力去发展新材料。其中,在我国发布的“十三五”百大工程项目中,将发展智能高分子材料囊括其中,开发具有与生物肌肉相似运动功能的人工肌肉是该领域的重要分支,它在柔性外骨骼、假体、仿真机器人、变翼飞行器、传感器等领域具有重要的研究价值和广阔的应用前景。

为探讨中国及上海的该领域研究力量如何发挥自身优势,组织化学、材料、生物,医学等多学科的研究人员,携手共创跨学科合作交流和人才培养的平台,共同推动高分子材料在生物医学领域的成果转化;同时有效开展和推动国内、国际合作,深化上海相关领域研究和产业化应用,提升上海及中国在国际学术界的影响力。复旦大学组织本次东方科技论坛,围绕(1. 人工韧带与人工肌腱;2. 智能高分子材料与仿生应用)这两个中心议题展开讨论,共同探讨现行智能高分子材料及其仿生柔性器件在医学领域中所扮演的角色、面临的问题、可能的解决方案以及未来的发展方向,为国内外各单位的专家学者提供一个相互交流的平台,促进各研究团队之间的合作,为中国及上海在该领域的发展提供战略方针和建议,并加强国际交流,促进学科交叉,进一步增强和提升我国在分子材料与器件研究领域的整体实力。
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