生物骨骼肌是自然界演化出的精密驱动系统，在神经刺激与钙离子的触发下实现高效、可控的收缩运动：接收到神经信号后，钙离子触发暴露粗细肌丝间的结合位点，肌肉进入预收缩阶段；随后三磷酸腺苷（Adenosine Triphosphate， ATP）水解释放化学能，驱动肌丝相互滑动，肌肉发生收缩运动（图1）。这种“钙离子触发，ATP供能”的分级收缩模式赋予了生物肌肉优异的能量效率与响应可控性。然而，现有的电化学人工肌纤维仅在通电时产生收缩，其驱动行为在断电后无法持续进行，难以实现类似生物肌肉的触发式收缩行为，限制了其在特定场景中的应用潜力。

中国科学院苏州纳米所邸江涛研究员团队最近报道了一种模仿骨骼肌收缩机制的触发式自收缩电化学人工肌纤维。该人工肌纤维基于三碘离子/碘离子（I₃⁻/I⁻）氧化还原离子对，经电化学触发后即使在断电状态依然能够自发收缩：充电阶段通过I₃⁻的嵌入与氧化进入触发状态，撤去外部电压后通过化学反应自发产生大幅收缩，精准复刻了骨骼肌中钙离子触发收缩的生理机制。这种独特的触发式驱动机制的工作电压低于0.5 V，且收缩过程可在断电后自发进行并稳定维持，这不仅降低了系统能耗，还拓宽了人工肌纤维的应用场景。

图１. 生物骨骼肌收缩机制

在I₃⁻/I⁻氧化还原离子对的作用下，碳纳米管（Carbon Nanotube, CNT）人工肌纤维呈现出类似骨骼肌收缩的三阶段驱动行为：I. 纤维首先处于初始松弛状态；II. 随着电压的施加，I₃⁻嵌入CNT纤维中并氧化生成I₂，进入触发阶段（2I₃⁻ − 2e⁻ → 3I₂）；III. 撤去外部电压后，CNT纤维中氧化生成的I₂与溶液中游离I⁻原位结合重新生成I₃⁻（I₂ + I⁻ → I₃⁻），该反应驱动纤维自发产生大幅收缩（图2）。这种触发式自收缩机制有别于传统电化学驱动器，收缩过程一旦触发便可在断电状态下持续进行并最终稳定维持，断电状态下该肌纤维的自发收缩量最高可达5.2%。

图2.触发式人工肌纤维的驱动行为

鉴于I₃⁻/I⁻离子对在纯CNT纤维中的本征驱动性能有限，研究团队进一步采用电化学修饰策略对其进行性能优化。季铵阳离子（QA⁺）已被证实能够有效嵌入CNT纤维中，并可通过弱路易斯酸碱相互作用与多碘离子产生强结合。经QA⁺修饰后的CNT纤维为多碘离子提供了更丰富的结合位点，显著促进了I₃⁻的嵌入与留存，从而大幅提升纤维的收缩性能（最高提升至15.5%）。研究还发现，QA⁺的优化效果与其烷基链长度密切相关：结合实验测试与理论计算结果表明，烷基链越长，QA⁺的化学硬度越低，其与I₃⁻的亲和性越强，进而使得CNT纤维能够锚定更多I₃⁻离子，最终表现出更优异的驱动性能（图3）。

图3. 季铵阳离子修饰对驱动性能的优化效果

为了提升该电化学人工肌纤维的实际应用可行性，研究团队将电解液与海藻酸钠共混，借助钙离子对海藻酸根离子的交联作用，将肌纤维进行凝胶化封装，使其能够脱离电解液环境独立工作（图4）。

图4. 触发式电化学人工肌纤维的凝胶化封装过程

得益于低电压触发与收缩态零能耗维持两大特点，该人工肌纤维尤其适配体内生物医学中需要长时间保持收缩状态的应用场景，例如泌尿系统中的类括约肌功能器件。研究团队基于该纤维构建了一种智能阀门：纤维收缩时可阻断液体通路，且撤除外部电压后仍可持续保持闭合状态，仅在施加反向电压时舒张复位（图5）。该装置的工作原理与生物体括约肌相似，有望在生理环境中实现低能耗的长期稳定运行。

图5. 电化学智能阀门的构建与功能演示

该成果以Bioinspired electrochemical artificial muscles with low voltage redox triggering and spontaneous contraction为题发表在Nature Communications上。论文第一作者为中国科学院苏州纳米所博士生王晓波，通讯作者为邸江涛研究员。该工作得到了国家自然科学基金、苏州市科技项目、中国博士后基金以及人工肌纤维联合实验室等项目的支持。

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