人(ren)造肌肉又叫電活性(xing)(xing)聚合物(wu)(wu),是(shi)一種(zhong)(zhong)新(xin)型(xing)智(zhi)能(neng)高(gao)分子材(cai)料(liao),它能(neng)夠在外加電場下,通過材(cai)料(liao)內部結(jie)構的(de)改變而伸縮(suo)、彎曲、束緊或(huo)膨脹,和生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)肌肉十分相似。醫學上,人(ren)造器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)官(guan)是(shi)指(zhi)能(neng)植入人(ren)體或(huo)能(neng)與生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)組織或(huo)生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)流(liu)體相接觸的(de)材(cai)料(liao),有天然(ran)器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)官(guan)組織的(de)功能(neng)或(huo)天然(ran)器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)官(guan)部件(jian)功能(neng)的(de)材(cai)料(liao)。根(gen)據制造器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)官(guan)使用的(de)材(cai)料(liao)以及(ji)其功能(neng)科(ke)學將人(ren)造器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)官(guan)分為三種(zhong)(zhong):機(ji)械性(xing)(xing)人(ren)造器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)官(guan)、半機(ji)械性(xing)(xing)半生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)性(xing)(xing)人(ren)造器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)官(guan)、生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)性(xing)(xing)人(ren)造器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)官(guan)。其中,前(qian)兩類(lei)型(xing)種(zhong)(zhong)的(de)人(ren)造器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)官(guan)移植后會讓患(huan)者(zhe)產(chan)生(sheng)(sheng)排(pai)斥反應,對(dui)受體來說,適無副作用的(de)是(shi)最后一種(zhong)(zhong)也(ye)就是(shi)生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)性(xing)(xing)人(ren)造器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)官(guan)。
人造肌(ji)(ji)肉狀材料是根據生物學原理(li),由3種(zhong)氨基酸(suan)(纈氨酸(suan)、脯氨酸(suan)和甘氨酸(suan))按一(yi)定(ding)順序排列而(er)構成(cheng)的,它類似于人的肌(ji)(ji)肉纖維(wei),具有彈性,且能隨(sui)環(huan)境溫度和化學成(cheng)分(如pH值)的變化而(er)伸縮。由于它能模(mo)擬活體(ti)的生物過程,于是,人們把這(zhe)種(zhong)材料稱為生物聚合物。
來自(zi)亞(ya)利(li)桑那州(zhou)州(zhou)立大學(xue)的(de)(de)研究員西宮川認為,人類的(de)(de)肌(ji)肉是人四(si)肢活動的(de)(de)馬(ma)達(da),只(zhi)有生產出超級的(de)(de)人造(zao)(zao)肌(ji)肉和裝置,才能(neng)(neng)讓殘障(zhang)人士的(de)(de)假肢恢復正常的(de)(de)功能(neng)(neng),這種新式(shi)的(de)(de)人造(zao)(zao)肌(ji)肉將有可能(neng)(neng)治療神(shen)經肌(ji)肉型疾病帕金森氏癥。為此,科學(xue)家們利(li)用生物(wu)仿生學(xue),通(tong)過對蟾蜍和變色龍的(de)(de)肌(ji)肉的(de)(de)研究,打造(zao)(zao)出了這種神(shen)奇(qi)的(de)(de)“生物(wu)馬(ma)達(da)”。
科學家(jia)發現,一(yi)個蟾蜍(chu)的(de)(de)下(xia)巴肌肉(rou)能夠(gou)產(chan)(chan)(chan)生(sheng)(sheng)大于(yu)它自身體重(zhong)700倍的(de)(de)力(li)(li)(li)量(liang),而(er)(er)變色龍(long)捕食的(de)(de)時候(hou),舌頭肌肉(rou)收縮時所產(chan)(chan)(chan)生(sheng)(sheng)的(de)(de)力(li)(li)(li)量(liang)也(ye)是(shi)非常(chang)驚(jing)人的(de)(de)。而(er)(er)目前人類所制(zhi)造的(de)(de)最(zui)好的(de)(de)機械設備(bei)(動力(li)(li)(li)馬達)也(ye)只能產(chan)(chan)(chan)生(sheng)(sheng)蟾蜍(chu)下(xia)巴肌肉(rou)的(de)(de)三分(fen)之(zhi)(zhi)一(yi)的(de)(de)力(li)(li)(li)量(liang)。對(dui)于(yu)這種神奇的(de)(de)現象,科學家(jia)們通過對(dui)蟾蜍(chu)和變色龍(long)的(de)(de)解剖(pou)尋(xun)找相(xiang)關的(de)(de)信息(xi)。他們認為蟾蜍(chu)下(xia)巴的(de)(de)特殊構(gou)造是(shi)造成其(qi)肌肉(rou)產(chan)(chan)(chan)生(sheng)(sheng)強(qiang)大力(li)(li)(li)量(liang)的(de)(de)原(yuan)因之(zhi)(zhi)一(yi),這種構(gou)造可以(yi)在最(zui)短的(de)(de)時間(jian)內貯存力(li)(li)(li)量(liang),適應肌肉(rou)所產(chan)(chan)(chan)生(sheng)(sheng)的(de)(de)張力(li)(li)(li),在蟾蜍(chu)大腦(nao)的(de)(de)操縱下(xia)實現肌肉(rou)的(de)(de)迅速收縮。
亞(ya)利桑那州州立大(da)學(xue)的(de)(de)(de)(de)科學(xue)家(jia)中們從蟾(chan)蜍(chu)的(de)(de)(de)(de)肌(ji)肉(rou)構造上獲(huo)得靈感(gan),設(she)計出(chu)(chu)了一種(zhong)(zhong)“機器肌(ji)腱”,這(zhe)種(zhong)(zhong)裝置可(ke)以模仿(fang)蟾(chan)蜍(chu)的(de)(de)(de)(de)下巴肌(ji)肉(rou)迅速(su)收縮(suo),產生(sheng)強(qiang)大(da)的(de)(de)(de)(de)能(neng)量。這(zhe)種(zhong)(zhong)機器肌(ji)腱就(jiu)是(shi)(shi)“生(sheng)物(wu)馬達(da)”,也(ye)就(jiu)是(shi)(shi)人(ren)(ren)(ren)造肌(ji)肉(rou)。再(zai)配合獨(du)有的(de)(de)(de)(de)高(gao)端協(xie)調(diao)輔助(zhu)設(she)備(bei)(bei),可(ke)以使假肢(zhi)(zhi)等設(she)備(bei)(bei)和人(ren)(ren)(ren)的(de)(de)(de)(de)大(da)腦(nao)信號協(xie)調(diao)一致,從而(er)提高(gao)假肢(zhi)(zhi)的(de)(de)(de)(de)運動(dong)(dong)功能(neng),實現(xian)殘(can)疾人(ren)(ren)(ren)的(de)(de)(de)(de)正常生(sheng)活。但是(shi)(shi)科學(xue)家(jia)認為(wei),這(zhe)種(zhong)(zhong)模仿(fang)蟾(chan)蜍(chu)制(zhi)造出(chu)(chu)的(de)(de)(de)(de)人(ren)(ren)(ren)造肌(ji)肉(rou)最(zui)關(guan)鍵的(de)(de)(de)(de)部分還(huan)是(shi)(shi)高(gao)端協(xie)調(diao)輔助(zhu)設(she)備(bei)(bei),只有通過大(da)腦(nao)的(de)(de)(de)(de)操縱實現(xian)功能(neng)才是(shi)(shi)生(sheng)物(wu)馬達(da)最(zui)關(guan)鍵的(de)(de)(de)(de)部分,這(zhe)個(ge)關(guan)鍵部分還(huan)需(xu)要(yao)繼續(xu)的(de)(de)(de)(de)研(yan)究探(tan)索(suo)。但是(shi)(shi)科學(xue)家(jia)表示,這(zhe)種(zhong)(zhong)“生(sheng)物(wu)馬達(da)”人(ren)(ren)(ren)造肌(ji)肉(rou)將會促(cu)進神(shen)經(jing)肌(ji)肉(rou)學(xue)的(de)(de)(de)(de)研(yan)究和發展(zhan)(zhan),有助(zhu)于(yu)對人(ren)(ren)(ren)類神(shen)經(jing)肌(ji)肉(rou)學(xue)的(de)(de)(de)(de)擴(kuo)展(zhan)(zhan)性研(yan)究,將生(sheng)物(wu)仿(fang)生(sheng)學(xue)和生(sheng)物(wu)動(dong)(dong)力學(xue)有機結合起來,這(zhe)種(zhong)(zhong)神(shen)奇的(de)(de)(de)(de)“生(sheng)物(wu)馬達(da)”堪稱神(shen)來之筆,不僅可(ke)以幫助(zhu)殘(can)疾人(ren)(ren)(ren)的(de)(de)(de)(de)生(sheng)活,還(huan)推動(dong)(dong)了科學(xue)家(jia)對于(yu)生(sheng)物(wu)仿(fang)生(sheng)技術的(de)(de)(de)(de)發展(zhan)(zhan)。
科學家(jia)對人(ren)(ren)造(zao)肌肉(rou)的(de)研(yan)究已經進行了幾十年,人(ren)(ren)造(zao)肌肉(rou)所用的(de)材料(liao)(liao)種類也很多,有塑料(liao)(liao)、類似橡(xiang)膠的(de)聚合物、凝膠以及金屬(shu),但是(shi)這(zhe)些材料(liao)(liao)做成的(de)人(ren)(ren)造(zao)肌肉(rou)面(mian)臨很多問(wen)題,比如需要消耗大量能(neng)(neng)量并且可(ke)能(neng)(neng)經常(chang)失效而無法像真(zhen)正的(de)肌肉(rou)那樣(yang)能(neng)(neng)自(zi)我(wo)修補。
活(huo)動自由工作更(geng)持(chi)久
現行的(de)(de)機器人或(huo)機械手臂受(shou)到能(neng)(neng)量(liang)限制(zhi),只(zhi)能(neng)(neng)在電源(yuan)附近活(huo)動(dong)。因此,美國國防(fang)部高級計劃研究(jiu)署一(yi)直希望能(neng)(neng)研發出一(yi)種能(neng)(neng)像人類一(yi)樣自由活(huo)動(dong)、而且自身可(ke)以供應能(neng)(neng)量(liang)的(de)(de)新型(xing)裝置,于(yu)是(shi)便有了這種超級仿生(sheng)肌肉(rou)的(de)(de)模型(xing)。據(ju)研究(jiu)人員介紹,這種仿生(sheng)肌肉(rou)的(de)(de)最大好處就是(shi)能(neng)(neng)量(liang)由燃(ran)料供應,以彌(mi)補(bu)電池功能(neng)(neng)的(de)(de)諸(zhu)多不(bu)足(zu)。仿生(sheng)肌肉(rou)可(ke)以自由活(huo)動(dong),而且能(neng)(neng)工作更長(chang)時間,不(bu)會因電池短命而動(dong)不(bu)了,也不(bu)必時刻綁(bang)個電源(yuan)在身邊。
按照研究人(ren)(ren)員(yuan)的(de)(de)設想,仿生肌肉研制成功后(hou),將能完成人(ren)(ren)類(lei)(lei)和(he)機器人(ren)(ren)各自無法(fa)獨立(li)做到(dao)的(de)(de)事情。它能像(xiang)人(ren)(ren)類(lei)(lei)一樣到(dao)處(chu)行(xing)動,能像(xiang)自然手(shou)臂一樣靈活(huo)運用,還能“綁”在“外骨(gu)骼”上,使消防員(yuan)、士兵(bing)和(he)宇(yu)航員(yuan)等特殊行(xing)業的(de)(de)人(ren)(ren)擁有超人(ren)(ren)般(ban)的(de)(de)力量(liang)。有了(le)它,也許消防員(yuan)就可以(yi)只手(shou)撐起倒塌的(de)(de)建筑材料,而戰場(chang)上的(de)(de)士兵(bing)也可以(yi)變成不(bu)知疲倦的(de)(de)“超人(ren)(ren)”。
比常人(ren)肌肉強100倍(bei)
為了(le)實現(xian)這些功能(neng),美韓(han)兩國(guo)科學家聯手開發(fa)了(le)兩種仿(fang)生(sheng)肌肉,以適應不同需要。
一種是把化(hua)學能轉(zhuan)化(hua)成(cheng)電(dian)能。它用含有催化(hua)劑(ji)的(de)碳納米(mi)管彎曲搭建出(chu)肌肉(rou)塊(kuai)、“燃(ran)料細(xi)胞”電(dian)極和超級電(dian)容器電(dian)極,它們會在充(chong)滿氫的(de)環境中,源(yuan)源(yuan)不斷地產(chan)生電(dian)源(yuan)。
另一(yi)種是(shi)把化學能轉化成熱能。它利(li)用氫(qing)和乙醇反應提供能量(liang),配合(he)特(te)制的(de)記憶金(jin)屬(shu)絲。例(li)如,當溫度降低時,金(jin)屬(shu)絲就會(hui)收(shou)縮,催化劑減(jian)少作用,人造肌(ji)肉(rou)就會(hui)放松收(shou)縮。這種方法打造出來的(de)人造肌(ji)肉(rou)力(li)量(liang)最大(da),舉(ju)力(li)是(shi)正常骨骼肌(ji)肉(rou)的(de)100倍(bei)以(yi)上。
有循環系(xi)統也有神經
不過目(mu)前看來,這(zhe)兩種肌(ji)肉都沒有一(yi)(yi)點肌(ji)肉的樣子,它們(men)只是(shi)一(yi)(yi)堆電線(xian)、懸臂和(he)(he)玻璃瓶(ping)。惟(wei)一(yi)(yi)能夠(gou)區(qu)別于(yu)機械臂的特(te)點就是(shi)它們(men)能夠(gou)像生物一(yi)(yi)樣“呼(hu)吸(xi)(xi)”:吸(xi)(xi)入氧氣,釋放乙醇和(he)(he)氫(qing),提供能量。
這種情況完全(quan)可能。加拿(na)大學者指出(chu):“事實上,人造(zao)肌(ji)肉已成功復制出(chu)了很(hen)多生物特點。比如說(shuo),它有(you)循(xun)環系統,氧和燃(ran)料可以(yi)通過循(xun)環系統輸送(song),為肌(ji)肉本身(shen)提供化學反(fan)應的場所,然(ran)后做(zuo)出(chu)機(ji)械動(dong)作;它還(huan)有(you)神經,由(you)特殊電路組成,能夠做(zuo)出(chu)反(fan)應并(bing)控制自(zi)己的行為;它還(huan)能存儲能量,并(bing)像人類的肌(ji)肉一(yi)樣,直接(jie)對接(jie)觸做(zuo)出(chu)判斷(duan)反(fan)應。”
人(ren)造肌肉(rou)(rou)伸(shen)縮性(xing)已能(neng)(neng)(neng)(neng)和人(ren)的(de)肌肉(rou)(rou)相媲美,材料自身性(xing)能(neng)(neng)(neng)(neng)決定,無需馬達(da)、齒輪等復(fu)雜裝置,體積小、重量輕。研究(jiu)人(ren)員稱(cheng)研發(fa)(fa)的(de)兩種(zhong)人(ren)造肌肉(rou)(rou)性(xing)能(neng)(neng)(neng)(neng)均非常(chang)突出,同時具備燃(ran)料電(dian)(dian)池(chi)和肌肉(rou)(rou)的(de)功(gong)能(neng)(neng)(neng)(neng)。其中一(yi)(yi)采用了含催化(hua)劑的(de)碳(tan)納米管電(dian)(dian)極(ji)(ji),可作(zuo)為(wei)燃(ran)料電(dian)(dian)池(chi)的(de)電(dian)(dian)極(ji)(ji)將(jiang)化(hua)學能(neng)(neng)(neng)(neng)轉(zhuan)化(hua)為(wei)電(dian)(dian)能(neng)(neng)(neng)(neng),級電(dian)(dian)容器的(de)電(dian)(dian)極(ji)(ji)來儲(chu)存電(dian)(dian)能(neng)(neng)(neng)(neng),還(huan)可作(zuo)肌肉(rou)(rou)電(dian)(dian)極(ji)(ji)將(jiang)電(dian)(dian)能(neng)(neng)(neng)(neng)再(zai)轉(zhuan)化(hua)為(wei)機(ji)械能(neng)(neng)(neng)(neng)。另外一(yi)(yi)種(zhong)是目前最強健(jian)的(de)肌肉(rou)(rou),是通過混合燃(ran)料和空(kong)氣中的(de)氧(yang)氣發(fa)(fa)生催化(hua)反應,將(jiang)化(hua)學能(neng)(neng)(neng)(neng)能(neng)(neng)(neng)(neng),升高的(de)溫度可使制(zhi)造肌肉(rou)(rou)的(de)具有(you)形(xing)狀記憶。
功能的(de)(de)金屬(shu)材料用力(li)收縮(suo),冷卻(que)后肌肉脹放松。由于這(zhe)種燃料電池肌肉所使用的(de)(de)外層涂(tu)有納米顆粒(li)催化劑的(de)(de)形狀(zhuang)記(ji)憶(yi)金在(zai)市場(chang)上買到(dao)(dao),這(zhe)使得它尤(you)其容易在(zai)自動裝置中得到(dao)(dao)應用。
這(zhe)次(ci)新研制成(cheng)功的(de)人(ren)造肌肉則解決了這(zhe)些(xie)問題。研究(jiu)人(ren)員(yuan)使用更具有彈性且已經(jing)被廣泛應用的(de)碳納米(mi)管(carbonnanotubes)取代其(qi)它(ta)金(jin)屬薄膜來充(chong)當電極,這(zhe)樣就避免了因重復(fu)使用導致金(jin)屬膜失效而出現的(de)供電問題。另(ling)外,如果(guo)碳納米(mi)管某一部分出現問題,它(ta)周圍剩下的(de)區(qu)域(yu)就會將(jiang)其(qi)自(zi)我封閉起(qi)來,使其(qi)不會導電,這(zhe)樣就防止了損(sun)壞影(ying)響到其(qi)它(ta)區(qu)域(yu)。佩(pei)·齊平說,“我們對這(zhe)個新裝置已經(jing)多(duo)次(ci)進行了類似的(de)實(shi)驗,包括用大頭針將(jiang)人(ren)造肌肉刺破(po),結果(guo)證明它(ta)并沒有癱瘓,還能正常工(gong)作”。
更神奇的(de)(de)是,這(zhe)種(zhong)能(neng)(neng)自我修復的(de)(de)人(ren)造肌肉(rou)(rou)還能(neng)(neng)發電(dian)和儲存電(dian)能(neng)(neng)。當此(ci)人(ren)造肌肉(rou)(rou)在(zai)膨脹(zhang)后收縮時,它(ta)自身碳(tan)納米管的(de)(de)結構會(hui)進行重新排列,這(zhe)是它(ta)就會(hui)產生(sheng)一股(gu)小小的(de)(de)電(dian)流(liu)(liu)。并且這(zhe)股(gu)電(dian)流(liu)(liu)是可(ke)以儲存并加以利用的(de)(de),例如給下一次肌肉(rou)(rou)運動(dong)擴張提(ti)供能(neng)(neng)量(liang),或者貯(zhu)存在(zai)電(dian)池里(li)給類似于(yu)iPod的(de)(de)移(yi)動(dong)設備充電(dian)。“它(ta)可(ke)以將你(ni)輸(shu)送給它(ta)的(de)(de)近70%的(de)(de)能(neng)(neng)量(liang)保存下來,”
值得一提的是,人(ren)造肌肉的服務(wu)對(dui)象不僅僅是人(ren)類(lei)本身。研究(jiu)者介紹,人(ren)造肌肉還能(neng)成為機(ji)器人(ren)、飛機(ji)、海洋艦隊(dui)等的幫手。
由于乙醇產生的(de)能量系(xi)數比電(dian)池(chi)等常(chang)規能源(yuan)高出30%,因(yin)此,人造肌肉可以安(an)裝在機器人身上(shang)充當“電(dian)池(chi)”。還可以用在假(jia)肢上(shang),給假(jia)肢新的(de)力(li)量。
此外,人(ren)(ren)造(zao)(zao)(zao)肌肉還可以當(dang)作飛機和(he)艦艇的“外衣”。人(ren)(ren)造(zao)(zao)(zao)肌肉是由碳納米(mi)管制(zhi)造(zao)(zao)(zao)而成(cheng),“披”在運輸工具外面(mian),可以使(shi)它們運行起來阻力更小(xiao)、更順利。將(jiang)來有一天,人(ren)(ren)造(zao)(zao)(zao)肌肉甚至能(neng)夠替代金屬制(zhi)的心臟起搏器(qi),打造(zao)(zao)(zao)和(he)人(ren)(ren)類身(shen)體(ti)更親近的新一代“人(ren)(ren)造(zao)(zao)(zao)心臟”。
超強人造肌肉
美(mei)國(guo)和韓(han)國(guo)研究者聯(lian)手(shou)研究出一(yi)(yi)種超級仿生肌肉。這(zhe)種肌肉不僅力量(liang)大(da)得驚人,而(er)且從來不會疲憊。這(zhe)一(yi)(yi)發明可能最終用于消防隊員、宇航員或戰士,為各條戰線打造力大(da)無窮的“超人”隊伍。
新的(de)人工肌(ji)(ji)肉可以模(mo)仿肌(ji)(ji)肉收(shou)縮(suo)(suo)產(chan)生(sheng)(sheng)(sheng)力(li)量。將石蠟(la)(la)嵌入經過(guo)編織(zhi)形(xing)成一種(zhong)特殊(shu)結構(gou)的(de)碳納米管(guan)纖維中,通過(guo)直(zhi)接加熱、電(dian)加熱,或者使用一道閃光,石蠟(la)(la)就(jiu)會(hui)發(fa)生(sheng)(sheng)(sheng)體積膨(peng)脹,使整個“肌(ji)(ji)肉”膨(peng)脹。但由于碳納米管(guan)纖維特殊(shu)的(de)結構(gou),“肌(ji)(ji)肉”的(de)長度會(hui)同時發(fa)生(sheng)(sheng)(sheng)收(shou)縮(suo)(suo),就(jiu)產(chan)生(sheng)(sheng)(sheng)了力(li)量。
隨著通(tong)電和(he)斷(duan)電,肌肉(rou)絲扭(niu)曲和(he)恢復所產生的扭(niu)力足以為微型彈射(she)(she)器(qi)(qi)提(ti)供動(dong)力,在實驗(yan)室工作臺(tai)上發射(she)(she)金屬箔片。研究人員決定建(jian)造一個彈射(she)(she)器(qi)(qi)來展示此項新發明的奧妙。
這種“肌肉(rou)”的舉重(zhong)(zhong)(zhong)能力是同等尺寸的天然肌肉(rou)的200倍,如(ru)果按重(zhong)(zhong)(zhong)量相(xiang)比,產生(sheng)的扭力高于(yu)大型電動發動機。但人工肌肉(rou)還不能完全(quan)吊起一架鋼琴(qin),因為當(dang)前可行的生(sheng)產技術限制(zhi)了絲的重(zhong)(zhong)(zhong)量。
壓電材料
自從1990年(nian)代中期以(yi)來,Bar-Cohen一直為經常變化的(de)(de)(de)(de)(de)國際(ji)EAP研(yan)(yan)究人(ren)員(yuan)團(tuan)體充當非(fei)正(zheng)式的(de)(de)(de)(de)(de)協(xie)調人(ren)。回(hui)到該領域的(de)(de)(de)(de)(de)萌芽時(shi)期,“我(wo)從科技(ji)(ji)論文上讀到的(de)(de)(de)(de)(de)電活化聚合物材料并(bing)不(bu)像廣告吹噓的(de)(de)(de)(de)(de)那樣神奇(qi),”他一邊回(hui)憶,一邊狡黠地(di)笑著,“而且當我(wo)從NASA獲(huo)得經費來研(yan)(yan)究該技(ji)(ji)術時(shi),我(wo)不(bu)得不(bu)去了(le)(le)解誰在做(zuo)這個領域的(de)(de)(de)(de)(de)工(gong)作,以(yi)便(bian)從中找(zhao)到某些啟發。”僅(jin)在數(shu)年(nian)之內,Bar-Cohen就已掌(zhang)握了(le)(le)足夠的(de)(de)(de)(de)(de)知識,并(bing)且協(xie)助舉辦了(le)(le)首屆關(guan)于該主(zhu)題的(de)(de)(de)(de)(de)科技(ji)(ji)研(yan)(yan)討會,開始出(chu)版一份(fen)EAP時(shi)事通(tong)訊,發布了(le)(le)一個EAP網站,還編(bian)寫了(le)(le)兩部關(guan)于這項新興技(ji)(ji)術的(de)(de)(de)(de)(de)論著。
在(zai)噴氣推進實(shi)驗室(JPL)院(yuan)內(nei)的一幢矮層研究(jiu)建筑內(nei),試驗臺上擺滿了各(ge)種致(zhi)動設備(bei)原型以及測試裝置,Bar-Cohen開始回顧他(ta)已經了如(ru)指掌的關于該領域(yu)的歷史。他(ta)說:“很長一段時間內(nei),人們一直在(zai)尋找(zhao)不用(yong)(yong)電(dian)動馬(ma)達(da)就可以移動物體(ti)的方法,因為馬(ma)達(da)對于許多應用(yong)(yong)而言顯得太過笨重。在(zai)EPAs出(chu)現之前,馬(ma)達(da)的標準替代技術是(shi)壓電(dian)陶(tao)瓷,該技術曾(ceng)一度是(shi)研究(jiu)的熱(re)點(dian)。”
在(zai)壓(ya)電(dian)材料中,機械應力可(ke)(ke)導致(zhi)晶體電(dian)極化,而且反之亦然。用電(dian)流刺激(ji)這種材料將使其(qi)變(bian)形(xing)(xing);通過改變(bian)其(qi)形(xing)(xing)狀(zhuang)可(ke)(ke)以產生(sheng)電(dian)。 Bar-Cohen從一(yi)(yi)張實驗長椅(yi)上拿起一(yi)(yi)只淺灰(hui)色的小(xiao)碟(die)子,說:“這塊碟(die)子由PZT(鋯鈦酸(suan)鉛)制成。”他向我們解釋:電(dian)流使得(de)壓(ya)電(dian)PZT產生(sheng)收(shou)縮或者膨脹,幅度(du)只有(you)(you)不到(dao)其(qi)總長度(du)的百分之一(yi)(yi)。盡(jin)管變(bian)形(xing)(xing)量(liang)很小(xiao),但(dan)是卻有(you)(you)用處。
在隔壁的一(yi)間(jian)屋子(zi)中,Bar-Cohen出(chu)示了由PZT碟子(zi)驅動(dong)的一(yi)英尺長的沖擊鉆,他正和JPL的同事以(yi)及Cybersonics公司的工程師們(men)一(yi)起研制這(zhe)些PZT碟子(zi)。他介(jie)紹說:“在這(zhe)個圓筒內是(shi)(shi)一(yi)疊(die)壓電(dian)碟子(zi),當(dang)被交(jiao)流電(dian)激活時,這(zhe)疊(die)碟子(zi)將以(yi)超(chao)音速拍打鉆頭,鉆頭則以(yi)高速率上下跳(tiao)躍,從(cong)而(er)鉆入堅硬的巖石(shi)。”在另(ling)一(yi)側是(shi)(shi)幾堆石(shi)塊,石(shi)塊已經被鉆出(chu)很深的孔眼。
該(gai)鉆子作為一(yi)個范例,說明了(le)用壓電陶瓷制作致動器的有(you)效性,的確讓人印(yin)象深刻。但是,在(zai)許多應用中,要(yao)求電活化材(cai)料(liao)的膨脹幅度超過(guo)百(bai)分之(zhi)零點幾。
高分子液晶材料
高分子液(ye)晶(jing)是科(ke)學家們(men)心目中的(de)硅(gui)(gui)的(de)理想替代物(wu)。過去,許多微觀(guan)研發工(gong)作都是在硅(gui)(gui)材料(liao)的(de)基礎上(shang)進行(xing)的(de)。而越(yue)來越(yue)多的(de)科(ke)學家認為,高分子液(ye)晶(jing)聚合(he)(he)物(wu)的(de)柔韌性比(bi)硅(gui)(gui)好。對液(ye)晶(jing)聚合(he)(he)體進行(xing)精細(xi)剪裁(cai)加(jia)工(gong)后,加(jia)工(gong)出的(de)樣品對溫度變化(hua)、紫外線照射等特定的(de)外界(jie)刺激有(you)相應的(de)反(fan)應,也比(bi)硅(gui)(gui)的(de)敏(min)感程度高。而且液(ye)晶(jing)聚合(he)(he)物(wu)的(de)制造成本(ben)比(bi)硅(gui)(gui)材料(liao)更(geng)(geng)低,加(jia)工(gong)工(gong)藝也更(geng)(geng)加(jia)簡(jian)單。
相(xiang)比(bi)起硅制的(de)(de)(de)假肢(zhi),“人造(zao)肌(ji)肉”更顯神奇。20世紀80年代(dai),科學家們(men)發現,在電(dian)流(liu)的(de)(de)(de)作用下,高(gao)分(fen)(fen)子(zi)液(ye)晶材(cai)料的(de)(de)(de)分(fen)(fen)子(zi)可以發生形變和扭(niu)曲,進(jin)而使材(cai)料本身(shen)產生收縮和彎(wan)曲——這(zhe)非常類似(si)于人類的(de)(de)(de)肌(ji)肉,于是(shi)科學家們(men)開(kai)始研(yan)究(jiu)如何利用高(gao)分(fen)(fen)子(zi)液(ye)晶材(cai)料構造(zao)“人造(zao)肌(ji)肉”。傳統的(de)(de)(de)機器人除了關節之外,四(si)肢(zhi)不(bu)能自由活(huo)動,如果(guo)有了“人造(zao)肌(ji)肉”,則他們(men)的(de)(de)(de)四(si)肢(zhi)會更加靈活(huo)且(qie)發達。
尼龍絲材料
尼龍(long)絲這種令人意料之外的功用,是(shi)在本(ben)周出版的美(mei)國《科(ke)學》雜(za)志中公布(bu)的,而(er)這項研究(jiu)的參與(yu)者則是(shi)在美(mei)國德克(ke)薩斯州大學達拉斯分(fen)校工作的巴西(xi)科(ke)學家(jia)們。
這(zhe)(zhe)項研究由Roy Baughman領(ling)導,他是在(zai)(zai)這(zhe)(zhe)項領(ling)域中(zhong)對世界貢獻最大(da)的科學家之一。 同(tong)時(shi),另(ling)外兩位科學家M?nica Jung de Andrade與Márcio Lima在(zai)(zai)美國相(xiang)關機構(gou)攻讀完博士后(hou)課程,也(ye)加盟了這(zhe)(zhe)項新(xin)研究。
研究顯示(shi),能(neng)夠成為制作人造肌肉材(cai)料的最重要特征,就是此材(cai)料有(you)能(neng)力在儲(chu)存大量能(neng)量的同(tong)時以同(tong)樣的方式(shi)保持肌肉的活性。
另一(yi)個(ge)重要(yao)的(de)指標就是這個(ge)制作材(cai)料的(de)可(ke)逆轉性。因為研究顯(xian)示,除(chu)非一(yi)種(zhong)材(cai)料在經(jing)歷幾千次儲存與(yu)釋(shi)放能(neng)量的(de)過程中完全不損失其性能(neng),否(fou)則就無法保持(chi)其強大的(de)收(shou)縮力以保持(chi)肌肉活(huo)性。
在攻(gong)克這一難關的(de)過程(cheng)中,科學家(jia)們(men)其實(shi)(shi)已經使用了許多材(cai)料(liao)(liao)進(jin)(jin)行(xing)(xing)人(ren)(ren)造肌肉(rou)實(shi)(shi)驗(yan)(yan)。科學家(jia)們(men)起初使用碳納米管來進(jin)(jin)行(xing)(xing)人(ren)(ren)造肌肉(rou)實(shi)(shi)驗(yan)(yan),他(ta)們(men)將該材(cai)料(liao)(liao)加熱,并且(qie)像真(zhen)正的(de)肌肉(rou)一樣(yang)舉起重物,但是許多實(shi)(shi)驗(yan)(yan)材(cai)料(liao)(liao)的(de)實(shi)(shi)驗(yan)(yan)結果卻并不理想。
Márcio Lima向記者解(jie)釋道,解(jie)開這個謎題的(de)(de)關鍵就(jiu)是研究員(yuan)們(men)找到了某(mou)些纖維材(cai)料(liao)的(de)(de)熱膨脹系數(shu)為負,這就(jiu)相當于在加熱材(cai)料(liao)和冷(leng)卻材(cai)料(liao)的(de)(de)過程中,只(zhi)要控制好(hao)與應用(yong)好(hao)材(cai)料(liao)溫度的(de)(de)變化,就(jiu)能夠準(zhun)確地在材(cai)料(liao)的(de)(de)運動過程中保持材(cai)料(liao)的(de)(de)可逆轉性。
他(ta)說(shuo)道:“我們發現將(jiang)纖(xian)維(wei)擰在(zai)一(yi)(yi)起形成一(yi)(yi)個彈簧(huang)或者線圈的(de)形狀(zhuang)能夠放大使(shi)用效(xiao)果(guo)。之后我們又實驗了許多(duo)更加(jia)便宜的(de)纖(xian)維(wei)材料,也達到了很好的(de)效(xiao)果(guo),尼龍絲就是(shi)其中一(yi)(yi)種。”
這種材料(liao)的最大好處就(jiu)是在于價格便宜,因為(wei)這種尼龍絲每斤只需花(hua)費(fei)15雷亞爾(er)。而且在實驗中,這種尼龍絲所制作的人造肌(ji)肉(rou),在100攝氏度溫度變化內的承(cheng)重效果(guo),比人體(ti)肌(ji)肉(rou)的性能要強(qiang)84倍之多(duo)。
在(zai)(zai)(zai)未(wei)來,這種新型(xing)技(ji)術可能會(hui)應(ying)用(yong)于機器(qi)人制作、生物醫學工程(cheng)(例(li)如制造承重(zhong)性能強大(da)的(de)假肢等等),甚至在(zai)(zai)(zai)紡織行業也可以應(ying)用(yong)。例(li)如,在(zai)(zai)(zai)嚴熱或(huo)寒(han)冷(leng)的(de)天氣中,你可以打開或(huo)關閉衣服(fu)上用(yong)該尼龍絲科技(ji)制成的(de)“氣孔”,以達到調節溫度(du)的(de)目的(de)。
SRI小組的(de)領導者(zhe)Ron Pelrine介紹說:“在與日本簽署微型(xing)機器計劃(Japanese micro-machine program)合同之后,斯坦福研究院(yuan)(SRI INTERNATIONAL)從(cong)1992年開(kai)始研究人造(zao)肌(ji)肉。”他從(cong)前(qian)是(shi)一(yi)名物(wu)理學(xue)家(jia),轉行做機械工程(cheng)師(shi)。日本官(guan)方在尋找(zhao)一(yi)種新型(xing)的(de)微致(zhi)動(dong)器技術。幾(ji)位SRI研究人員開(kai)始尋找(zhao)一(yi)種在力學(xue)、沖程(cheng)(線性(xing)位移)以及應變(單位長度或單位面(mian)積的(de)位移量)等方面(mian)的(de)性(xing)質與自然肌(ji)肉類(lei)似(si)的(de)致(zhi)動(dong)材料(liao)。
“我們(men)考(kao)察了一(yi)大(da)堆有希(xi)望的(de)活化技術,”Pelrine回憶道。然而,他(ta)們(men)最終選(xuan)擇(ze)了電致(zhi)伸(shen)縮聚合(he)物,當時(shi)來自路(lu)特葛斯(si)大(da)學(xue)(Rutgers University)的(de)Jerry Scheinbeim正(zheng)在研究這(zhe)種材(cai)料。這(zhe)種聚合(he)物中的(de)碳氫(qing)分子以(yi)半晶體點陣(zhen)的(de)方式排列,而這(zhe)種晶陣(zhen)具有類似壓電的(de)屬性。
當(dang)(dang)處于電場(chang)中時,所有的(de)(de)絕緣塑料(例(li)如聚亞安酯)將會沿(yan)電力(li)(li)線的(de)(de)方(fang)(fang)向收縮,同時沿(yan)垂直于電力(li)(li)線的(de)(de)方(fang)(fang)向膨脹。這(zhe)種(zhong)現象與電致伸縮不同,被(bei)稱為麥克(ke)斯(si)韋應(ying)力(li)(li)。Pelrine 說:“這(zhe)種(zhong)現象早就為人們所熟(shu)知(zhi),但(dan)一(yi)直被(bei)當(dang)(dang)作是一(yi)種(zhong)很麻煩(fan)的(de)(de)效應(ying)。”
他意(yi)識到,比聚(ju)亞安酯更(geng)軟的聚(ju)合物在(zai)靜(jing)電吸(xi)引作用下將(jiang)更(geng)容易(yi)擠壓,因而可(ke)以提(ti)供更(geng)大的機械應(ying)變。通過對軟硅(gui)樹脂進行試驗,SRI的科學家很快證明(ming)其應(ying)變在(zai)10-15%之(zhi)間,這(zhe)(zhe)十分合意(yi)。經過進一步研(yan)究,這(zhe)(zhe)個數字還(huan)可(ke)以提(ti)高到20-30%。為(wei)了區別這(zhe)(zhe)種新的致(zhi)動器材(cai)料,硅(gui)樹脂和其他較軟的材(cai)料被命名為(wei)電絕緣橡(xiang)膠(dielectric elastomers)(也被稱為(wei)電場活化聚(ju)合物。)
在確定出幾種有前(qian)途的(de)聚合(he)物材料之后,在1990年代剩余的(de)大部分(fen)時(shi)間(jian)內,該(gai)(gai)小(xiao)組(zu)將注(zhu)意(yi)力集中于研(yan)(yan)(yan)制(zhi)特定設(she)備應用的(de)具(ju)體細節。當時(shi),該(gai)(gai)SRI研(yan)(yan)(yan)究(jiu)(jiu)小(xiao)組(zu)新的(de)外部經費(fei)支持和研(yan)(yan)(yan)究(jiu)(jiu)方向由美國國防(fang)高級研(yan)(yan)(yan)究(jiu)(jiu)計劃(hua)局(ju)(DARPA)和海軍研(yan)(yan)(yan)究(jiu)(jiu)中心(Office of Naval Research)提供,其主管的(de)首要興趣在于將該(gai)(gai)技術用于軍事目的(de),包括小(xiao)型(xing)偵察機器人以及輕型(xing)發電(dian)機。
由于(yu)橡膠開始表現(xian)出大得(de)多的(de)(de)應(ying)變,工程師意識到電(dian)(dian)極(ji)也必須是(shi)可以膨脹(zhang)(zhang)的(de)(de)。普通金屬(shu)電(dian)(dian)極(ji)無法伸長,除非將其割裂(lie)。Pelrine提(ti)到:“起先(xian),人們不用為這個問題操心,因為他們研(yan)究(jiu)(jiu)的(de)(de)材(cai)料所(suo)提(ti)供的(de)(de)應(ying)變只有(you)1%左右。”最后,該(gai)研(yan)究(jiu)(jiu)小組(zu)開發出一(yi)種基于(yu)在橡膠陣列(lie)(elastomeric matrix)中填充碳(tan)粒(li)的(de)(de)屈(qu)從電(dian)(dian)極(ji)。他指出:“由于(yu)電(dian)(dian)極(ji)和塑料一(yi)起膨脹(zhang)(zhang),它們可以在整個活動區(qu)域之間(jian)保持電(dian)(dian)場(chang)。”SRI International為該(gai)概念申(shen)請(qing)了(le)專利,它是(shi)后來(lai)人造肌肉技術的(de)(de)關鍵之一(yi)。
Pelrine急于向我們展(zhan)示,他(ta)拿出一(yi)個15厘(li)米見方看(kan)上(shang)去像相框的東西,其(qi)兩面的塑(su)料包夾由于膨(peng)脹而(er)緊繃著。“看(kan),這種(zhong)聚合物材料延(yan)展(zhan)性(xing)非(fei)常(chang)好,”他(ta)說(shuo),同時用一(yi)只(zhi)手指按入其(qi)透明薄膜(mo)。“它實際上(shang)是一(yi)種(zhong)雙面膠帶,一(yi)大卷的價格(ge)很便宜。”在中間夾片的兩面是黑色、鎳幣大小的電極(ji),連著導(dao)線。
Pelrine擰開(kai)電(dian)(dian)源(yuan)的(de)(de)控制旋(xuan)鈕(niu)。立刻,黑色的(de)(de)圓形電(dian)(dian)極(ji)對開(kai)始膨脹,直徑增加了(le)四分(fen)(fen)之一。當(dang)他(ta)將旋(xuan)鈕(niu)擰回到原來(lai)位置(zhi)時(shi),電(dian)(dian)極(ji)馬(ma)上(shang)又收縮(suo)至原狀態(tai)。他(ta)咧嘴笑(xiao)了(le)笑(xiao),并且重(zhong)復操作(zuo)了(le)好幾次,解釋說:“根本上(shang),我們的(de)(de)設備就是電(dian)(dian)容,也就是兩塊平(ping)行的(de)(de)充電(dian)(dian)平(ping)板,中間夾著電(dian)(dian)絕(jue)緣材料(liao)。當(dang)電(dian)(dian)源(yuan)接(jie)通時(shi),正負(fu)電(dian)(dian)荷分(fen)(fen)別(bie)在相反(fan)的(de)(de)電(dian)(dian)極(ji)上(shang)積(ji)累。電(dian)(dian)極(ji)平(ping)板互相吸引并且擠壓中間的(de)(de)絕(jue)緣聚(ju)合物,并且聚(ju)合物的(de)(de)面積(ji)擴大。”
盡管已經確(que)定(ding)出幾種有前途的(de)(de)(de)材料(liao),要想在實際(ji)設(she)備(bei)中實現可(ke)接受的(de)(de)(de)性能的(de)(de)(de)確(que)是(shi)一個挑戰(zhan)。然而,該小組在1999年取(qu)得的(de)(de)(de)一系列突(tu)破(po)引起了美國(guo)政府及工業(ye)界(jie)相當的(de)(de)(de)興趣。
有人通過觀察(cha)發(fa)現,在電(dian)活(huo)化(hua)聚合物(wu)材料(liao)之(zhi)前預先拉(la)(la)伸它,將大(da)大(da)提高其性(xing)能。小組的(de)另一位成員Roy Kornbluh工程師回憶說:“我們開(kai)始注(zhu)意(yi)到存在一個甜(tian)區(qu)(sweet point),這時可以獲(huo)(huo)得(de)最(zui)優性(xing)能。沒有人確切地知(zhi)道為什么,但是(shi)預拉(la)(la)伸聚合物(wu)可以使擊穿強度【電(dian)極之(zhi)間電(dian)流(liu)通路(lu)(passage of current)的(de)阻力】增加100倍之(zhi)多。”電(dian)活(huo)化(hua)應變提高的(de)幅(fu)度與之(zhi)類(lei)似(si)。盡(jin)管(guan)原因(yin)還不是(shi)很清(qing)楚,SRI的(de)化(hua)學家裴其冰(音(yin))認為:“預拉(la)(la)伸可沿(yan)平(ping)面膨脹方向定位分子鏈,并(bing)且材料(liao)使得(de)沿(yan)該方向更加堅(jian)硬(ying)。”為了獲(huo)(huo)得(de)預拉(la)(la)伸效果(guo),SRI的(de)致動器(qi)設備采用了一個外部支撐(cheng)結(jie)構。
第二(er)項(xiang)關鍵發現得益于研(yan)究人(ren)員“測試(shi)(shi)我(wo)(wo)們(men)(men)所(suo)知道的(de)(de)(de)(de)(de)每一(yi)種(zhong)(zhong)可(ke)伸(shen)展材(cai)料(liao)(liao),我(wo)(wo)們(men)(men)稱(cheng)之(zhi)為(wei)愛迪生方法,”Pelrine愉快地(di)告訴我(wo)(wo)們(men)(men)。(為(wei)找(zhao)到合適的(de)(de)(de)(de)(de)電燈燈絲材(cai)料(liao)(liao),托馬斯·愛迪生系統地(di)試(shi)(shi)驗過各(ge)種(zhong)(zhong)材(cai)質。)“在(zai)我(wo)(wo)家(jia)里,為(wei)了不(bu)讓我(wo)(wo)那剛會走路的(de)(de)(de)(de)(de)孩(hai)子亂(luan)拿東(dong)西,我(wo)(wo)們(men)(men)用一(yi)把以(yi)(yi)聚(ju)(ju)合物(wu)材(cai)料(liao)(liao)做的(de)(de)(de)(de)(de)門鎖(suo)將(jiang)冰箱鎖(suo)住。孩(hai)子逐漸長大,我(wo)(wo)們(men)(men)不(bu)再需要鎖(suo)什(shen)么東(dong)西,因此將(jiang)鎖(suo)拿走。由于它(ta)是用可(ke)伸(shen)展材(cai)料(liao)(liao)制(zhi)成的(de)(de)(de)(de)(de),我(wo)(wo)決定測試(shi)(shi)一(yi)下它(ta)的(de)(de)(de)(de)(de)應變(bian)屬性。令人(ren)驚訝的(de)(de)(de)(de)(de)是,它(ta)擁有(you)極佳的(de)(de)(de)(de)(de)性能(neng)。”追溯鎖(suo)的(de)(de)(de)(de)(de)來源以(yi)(yi)及分析(xi)其組成不(bu)是什(shen)么難事,最后,這(zhe)種(zhong)(zhong)神秘的(de)(de)(de)(de)(de)聚(ju)(ju)合物(wu)“原來是聚(ju)(ju)丙烯酸(suan)橡膠,它(ta)可(ke)以(yi)(yi)提(ti)供極大的(de)(de)(de)(de)(de)應變(bian)和(he)能(neng)量輸(shu)出,線性應變(bian)達380%之(zhi)多(duo)。這(zhe)兩項(xiang)進(jin)展使得我(wo)(wo)們(men)(men)能(neng)夠開始將(jiang)電絕緣(yuan)橡膠應用到現實(shi)的(de)(de)(de)(de)(de)致動器設備(bei)中。”該研(yan)究人(ren)員介(jie)紹說(shuo)。
天然橡膠材料
SRI小組的(de)通用(yong)研究方法比較(jiao)靈(ling)活(huo),包括(kuo)許多種設計、甚(shen)至包括(kuo)不(bu)(bu)同(tong)的(de)聚合物。正如裴其冰(bing)所說:“這(zhe)是(shi)(shi)一臺設備,而不(bu)(bu)是(shi)(shi)一件材料(liao)。”據Pelrine稱,該(gai)小組能(neng)夠用(yong)不(bu)(bu)同(tong)的(de)聚合物產生(sheng)活(huo)化效應,包括(kuo)丙烯酸樹(shu)脂和(he)硅樹(shu)脂。甚(shen)至天然(ran)橡膠也能(neng)產生(sheng)一定效應。例如,在外部空間的(de)極端溫度(du)環境(jing)中,人(ren)造肌肉最好采用(yong)有機硅塑料(liao),已(yi)經證明這(zhe)種材料(liao)可以在零下100攝氏度(du)的(de)真空環境(jing)下工作。對于要求更(geng)大輸出力(li)的(de)應用(yong),可能(neng)需(xu)要更(geng)多的(de)聚合物材料(liao)或(huo)者將多臺設備串聯或(huo)并聯。
SRI成員(yuan)von Guggenberg 估計(ji):“由于(yu)可以(yi)買到電絕(jue)緣橡(xiang)膠的(de)現(xian)貨,而且我們在每臺(tai)設備至(zhi)多只用到幾平方英(ying)尺的(de)材(cai)料,因此致動器將(jiang)會(hui)非常便宜,尤(you)其(qi)是對于(yu)批量(liang)生(sheng)產。”
激(ji)活電(dian)絕緣橡膠致(zhi)動器的(de)(de)電(dian)壓相對較(jiao)高,通常為(wei)1到(dao)5千伏,因此該(gai)設備(bei)可(ke)以在非常低的(de)(de)電(dian)流下運轉(一般而言,高電(dian)壓意味著低電(dian)流)。致(zhi)動器還可(ke)以使用較(jiao)細、不(bu)太貴(gui)的(de)(de)導線,并(bing)且可(ke)以保持相當(dang)冷(leng)卻(que)。Pelrine說(shuo):“在到(dao)達電(dian)場中止以及電(dian)流流經(電(dian)極之間的(de)(de))間隔的(de)(de)臨界點時,更高的(de)(de)電(dian)壓將產(chan)生更大的(de)(de)膨脹和應力。”
更大的(de)難題是(shi)高(gao)電(dian)壓(ya)要用于(yu)移動設備,因為電(dian)池通(tong)常是(shi)低電(dian)壓(ya)的(de),因而還需要附加的(de)變壓(ya)線圈。而且,在美國賓夕法尼亞(ya)州州立大學,張啟明(音)和(he)他(ta)的(de)研究小組已經在嘗(chang)試通(tong)過將某些(xie)電(dian)致(zhi)伸縮聚合物(wu)與其(qi)他(ta)物(wu)質結(jie)合生成合成物(wu),來降低它們的(de)激(ji)活電(dian)壓(ya)。
當被問及電(dian)絕緣橡膠(jiao)的(de)耐久性時,von Guggenberg承認還需要(yao)更多(duo)的(de)研究(jiu),并且證(zheng)實了(le)一(yi)(yi)個“合(he)(he)理(li)跡(ji)象”,即(ji)他們要(yao)繼續(xu)工作足(zu)夠長時間(jian)以(yi)實現商(shang)業化(hua)用途(tu),“例如(ru),我(wo)們為一(yi)(yi)位客戶(hu)運行的(de)設備(bei)可產(chan)生(sheng)5-10%的(de)應變(bian),循(xun)環(huan)1000萬次。”另一(yi)(yi)臺(tai)設備(bei)可產(chan)生(sheng)50%的(de)面積應變(bian),循(xun)環(huan)100萬次。盡管人(ren)造肌(ji)(ji)肉設備(bei)比相(xiang)應的(de)電(dian)動馬(ma)達要(yao)輕得多(duo)(聚合(he)(he)物本(ben)身的(de)密(mi)度與水差(cha)不多(duo)),SRI仍在通(tong)過減少必要(yao)的(de)外部(bu)(bu)預應變(bian)設備(bei),來努力減輕其質量。 2004年5月27號日(ri)本(ben)橫濱國(guo)立大學渡邊(bian)正義教(jiao)授領導的(de)研究(jiu)小(xiao)組(zu)開發出一(yi)(yi)種新(xin)型(xing)人(ren)造肌(ji)(ji)肉,用一(yi)(yi)節干(gan)電(dian)池即(ji)能驅動,用于微型(xing)機器和小(xiao)型(xing)機器人(ren)的(de)關節部(bu)(bu)位十分合(he)(he)適。
這(zhe)種(zhong)人(ren)造肌(ji)肉形狀像(xiang)口香糖,長(chang)約5厘(li)米,寬1厘(li)米,厚(hou)幾百(bai)微米。它(ta)由一(yi)種(zhong)隨電壓變化而伸縮的(de)高分子材(cai)料與一(yi)種(zhong)不易揮(hui)發的(de)離子液體混合制(zhi)成,可以在正常(chang)環境(jing)下長(chang)期使用(yong)。如果在微型(xing)機器(qi)的(de)關(guan)節和驅動部位裝上這(zhe)種(zhong)人(ren)造肌(ji)肉,它(ta)可像(xiang)人(ren)的(de)關(guan)節一(yi)樣發揮(hui)作(zuo)用(yong)。