人工肌肉重大突破登上 Science！多國科學家聯(lián)合實現(xiàn)全新驅(qū)動機理

本文作者：付靜

2021-02-01 17:57

導語：哈工大在這一領(lǐng)域的探索，離不開一個名字——冷勁松。

2021 年，機器人已經(jīng)「成精」了，公然吵架、組團熱舞再也不是愚蠢的人類專屬。

然鵝在很多人心里，機器人還是僵硬、機械甚至冰冷的。

即便如此，技術(shù)日新月異，柔性機器人快速發(fā)展，我們對機器人的刻板印象也該被打破了。

科學家們設(shè)計出的軟體機器人在外形上可謂五花八門，比如：

由磁場驅(qū)動的軟體機器人，看上去像是花瓣一樣。

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會奔跑、能游泳、能舉重物的“小獵豹”。

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可用于軍事行動的快速隧道挖掘機器人。

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其實，軟體機器人的設(shè)計往往與一種智能材料有關(guān)——人工肌肉。

最近在這一領(lǐng)域，我國科學家聯(lián)合美、韓、澳等多國學者做出了新突破！

相比傳統(tǒng)人工肌肉，此次研究人員設(shè)計出的人工肌肉具有無毒、驅(qū)動頻率高（10 Hz）、驅(qū)動電壓低（1 V）、高比能量（0.73~3.5 J/g）、高驅(qū)動應變（3.85~18.6 %）、高能量密度（高達8.17 W/g）的特性。

碳納米管紗線為何物？

2021 年 1 月 29 日，題為 Unipolar-Stroke, Electroosmotic-Pump Carbon Nanotube Yarn Muscles（單極沖程、電滲泵碳納米管紗線肌肉）的論文發(fā)表于著名學術(shù)期刊《科學》（Science）。

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論文出自哈爾濱工業(yè)大學（復合材料與結(jié)構(gòu)研究所）、江蘇大學（智能柔性機電研究所）、常州大學（江蘇省光伏科學與工程協(xié)同創(chuàng)新中心）、美國德克薩斯大學達拉斯分校、伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校、韓國漢陽大學、首爾大學、澳大利亞臥龍崗大學、迪肯大學等團隊。

論文題目中有個看起來有點兒高深的詞「碳納米管紗線」（Carbon nanotube yarns），那么在談具體的研究細節(jié)之前，我們先來解決一個問題：碳納米管紗線為何物？

碳納米管紗線源自碳納米管——一種具有特殊結(jié)構(gòu)的一維量子材料，徑向尺寸為納米量級、軸向尺寸為微米量級、管子兩端基本都有封口。外形上，它是由呈六邊形排列的碳原子構(gòu)成的數(shù)層同軸圓管，層與層之間的固定距離約 0.34 nm，而圓管的直徑一般為 2~20 nm。

據(jù)了解，碳納米管作為一維納米材料，重量輕、有著完美的連接結(jié)構(gòu)，因而有著獨特的力學、電學、化學性能。

基于這樣的奇特存在，碳納米管紗線也應運而生。

根據(jù)字面意思即可知，這是通過拉伸和松弛、由碳基納米管纖維制成的緊密絞合的紗線。

不同于普通意義上的紗線，碳納米管紗線其實是一種超導體，還可當電池使用——早在 2011 年，德克薩斯大學就與美國企業(yè)展開合作，致力于將碳納米管紗線推向市場。

2017 年，德克薩斯大學達拉斯分校又研制出一種名為 Twistron 的碳納米管紗線。

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當時該研究團隊的李娜博士曾在采訪中表示：

這些紗線本質(zhì)上是一種超級電容器，但無需外加電源充電。因為碳納米管與電解質(zhì)的化學電勢不同，當紗線浸入電解質(zhì)時，一部分電荷便會嵌入其中。紗線被拉伸時，體積減小，使電荷相互靠近，電荷產(chǎn)生的電壓增高，從而獲得電能。

2014-2016 年，一位名為楚合濤的博士生在哈爾濱工業(yè)大學和德克薩斯大學達拉斯分校接受聯(lián)合培養(yǎng)，也正是自那時起，哈爾濱工業(yè)大學冷勁松教授課題組與德克薩斯大學達拉斯分校 Ray H. Baughman 教授課題組開始了有關(guān)碳納米管紗線人工肌肉的研究。

此次，已是博士畢業(yè)生的楚合濤正是論文的共同一作。

人工肌肉性能實現(xiàn)新突破

那么，碳納米管紗線和人工肌肉之間，又有怎樣的聯(lián)系？

論文介紹，滲透離子（不論正負）會影響著長度、直徑的變化，因此碳納米管紗線可用作電化學致動器。

據(jù)悉，碳納米管紗線人工肌肉是一種典型的智能材料，主要通過熱、電化學兩種方式實現(xiàn)驅(qū)動，而兩種驅(qū)動方式存在著差別。

根據(jù)熱力學定律，熱驅(qū)動受著卡諾循環(huán)效率（Circulation efficiency in Kano，即有一個高溫熱源溫度 T1 和一個低溫熱源溫度 T2 的簡單循環(huán)）的制約——相比而言，電化學驅(qū)動的能量轉(zhuǎn)換效率更高，具有更廣闊的應用前景。

基于這一點，研究團隊構(gòu)建了一種全固態(tài)肌肉（all-solid-state muscle）。通過向紗線中滲透帶電的聚合物，纖維開始部分膨脹，隨著離子的損失長度會增加，這樣也增加了肌肉的總沖程。

哈爾濱工業(yè)大學官方表示，研究人員首次發(fā)現(xiàn)通過聚電解質(zhì)功能化的策略，可實現(xiàn)人工肌肉智能材料的“雙極”（Bipolar）驅(qū)動轉(zhuǎn)變?yōu)椤皢螛O”（Unipolar）驅(qū)動（如下圖所示），同時發(fā)現(xiàn)了人工肌肉隨電容降低、驅(qū)動性能增強的反?，F(xiàn)象（Scan Rate Enhanced Stroke, SRES）。

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具體而言，研究人員得到了如下效果：

實現(xiàn)了單一離子嵌入、嵌出的“單極”效應，解決了“雙極”效應反向離子的嵌入、嵌出引起的性能降低問題，提高了做功效率與能量密度等性能；
人工肌肉隨掃描速率增加，驅(qū)動性能增加，解決了傳統(tǒng)人工肌肉驅(qū)動性能的電容依賴性問題。

哈爾濱工業(yè)大學認為：

這一重要突破解決了人工肌肉驅(qū)動性能的電容依賴性問題，為后續(xù)設(shè)計具有無毒、低驅(qū)動電壓的高性能驅(qū)動器提供新的理論基礎(chǔ)。

值得一提的是，這一突破在空間展開結(jié)構(gòu)、仿生撲翼飛行器、可變形飛行器、水下機器人、柔性機器人、可穿戴外骨骼、醫(yī)療機器人等領(lǐng)域具有巨大的應用潛力。

關(guān)于作者

早在 20 世紀 90 年代初，哈爾濱工業(yè)大學復合材料與結(jié)構(gòu)研究所就已確立了智能材料與結(jié)構(gòu)的研究方向。

實際上哈工大在這一領(lǐng)域的探索，離不開一個名字——冷勁松。

博士畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學復合材料專業(yè)的冷勁松教授自 2004 年起擔任著哈工大航天學院復合材料與結(jié)構(gòu)研究所教授、博導的職務。

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1992 年起，冷勁松教授就開始開展智能材料系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)的研究，主要研究方向包括智能材料系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、光纖傳感器、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控、復合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計和工藝技術(shù)、可變翼飛行器、結(jié)構(gòu)振動主動控制、光纖通訊和微波光電子器件、微機電系統(tǒng)等等。

另外，冷勁松教授也在 International Journal of Smart & Nano Materials 擔任主編，在 Smart Materials & Structures 和 Journal of Intelligent Material Systems and Structures 等國際雜志擔任副主編。2006 年入選教育部新世紀優(yōu)秀人才計劃，2007 年入選長江學者特聘教授，2018 年當選歐洲科學院物理與工程學部外籍院士（Members of the Academia Europaea）。

值得一提的是，此次論文的通訊作者之一正是冷勁松教授。

2020 年 3 月 4 日，冷勁松教授團隊與美國馬里蘭大學 Norman M. Wereley 教授團隊的共同研究成果發(fā)表于國際著名期刊 Soft Robotics ，展示了一種受象鼻啟發(fā)的、在可伸展/收縮的氣動人工肌肉的基礎(chǔ)上設(shè)計的新型彎曲螺旋可伸展/收縮氣動人工肌肉（HE-PAMs/HC-PAMs）。

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