人(ren)造(zao)(zao)肌(ji)(ji)肉(rou)又叫(jiao)電活性(xing)(xing)聚(ju)合(he)物,是一種(zhong)新型(xing)智(zhi)能(neng)(neng)高分子(zi)材料(liao),它能(neng)(neng)夠在外加電場下,通過材料(liao)內部結構的(de)改變而伸(shen)縮、彎曲、束緊或膨脹,和生(sheng)(sheng)物肌(ji)(ji)肉(rou)十(shi)分相(xiang)似(si)。醫學(xue)上,人(ren)造(zao)(zao)器(qi)(qi)(qi)官是指能(neng)(neng)植入人(ren)體或能(neng)(neng)與生(sheng)(sheng)物組(zu)織(zhi)(zhi)或生(sheng)(sheng)物流(liu)體相(xiang)接觸的(de)材料(liao),有(you)天然(ran)器(qi)(qi)(qi)官組(zu)織(zhi)(zhi)的(de)功(gong)(gong)能(neng)(neng)或天然(ran)器(qi)(qi)(qi)官部件功(gong)(gong)能(neng)(neng)的(de)材料(liao)。根(gen)據制造(zao)(zao)器(qi)(qi)(qi)官使用的(de)材料(liao)以及其功(gong)(gong)能(neng)(neng)科(ke)學(xue)將人(ren)造(zao)(zao)器(qi)(qi)(qi)官分為三種(zhong):機械性(xing)(xing)人(ren)造(zao)(zao)器(qi)(qi)(qi)官、半機械性(xing)(xing)半生(sheng)(sheng)物性(xing)(xing)人(ren)造(zao)(zao)器(qi)(qi)(qi)官、生(sheng)(sheng)物性(xing)(xing)人(ren)造(zao)(zao)器(qi)(qi)(qi)官。其中,前(qian)兩類型(xing)種(zhong)的(de)人(ren)造(zao)(zao)器(qi)(qi)(qi)官移植后會讓患(huan)者(zhe)產生(sheng)(sheng)排斥反應,對受(shou)體來說,適無副作用的(de)是最后一種(zhong)也就是生(sheng)(sheng)物性(xing)(xing)人(ren)造(zao)(zao)器(qi)(qi)(qi)官。
人(ren)造肌肉狀材(cai)料是根(gen)據生(sheng)物學原理,由3種氨(an)基(ji)酸(纈氨(an)酸、脯氨(an)酸和甘(gan)氨(an)酸)按一定(ding)順序排列而構成的(de),它類似于(yu)人(ren)的(de)肌肉纖維,具有彈性,且能隨環(huan)境溫(wen)度和化學成分(如pH值)的(de)變(bian)化而伸縮。由于(yu)它能模擬活體(ti)的(de)生(sheng)物過程(cheng),于(yu)是,人(ren)們把(ba)這(zhe)種材(cai)料稱為生(sheng)物聚合(he)物。
來自(zi)亞利(li)桑那州(zhou)州(zhou)立大學的(de)(de)(de)研究員(yuan)西宮川認為,人(ren)(ren)類的(de)(de)(de)肌(ji)肉(rou)是人(ren)(ren)四肢(zhi)活(huo)動的(de)(de)(de)馬達,只有生產出超級的(de)(de)(de)人(ren)(ren)造肌(ji)肉(rou)和(he)(he)裝置,才能讓殘障人(ren)(ren)士(shi)的(de)(de)(de)假肢(zhi)恢(hui)復正常的(de)(de)(de)功能,這種新式的(de)(de)(de)人(ren)(ren)造肌(ji)肉(rou)將有可能治療(liao)神經(jing)肌(ji)肉(rou)型疾病(bing)帕金森氏癥。為此,科學家們利(li)用生物仿生學,通過對蟾蜍和(he)(he)變色龍的(de)(de)(de)肌(ji)肉(rou)的(de)(de)(de)研究,打造出了這種神奇(qi)的(de)(de)(de)“生物馬達”。
科(ke)學家發現(xian),一個(ge)蟾(chan)(chan)(chan)(chan)蜍(chu)的(de)(de)(de)(de)下(xia)巴肌肉能夠產(chan)生大于它自(zi)身體重700倍的(de)(de)(de)(de)力(li)量(liang)(liang),而變色(se)龍捕食的(de)(de)(de)(de)時(shi)(shi)(shi)候,舌(she)頭肌肉收(shou)縮時(shi)(shi)(shi)所產(chan)生的(de)(de)(de)(de)力(li)量(liang)(liang)也是(shi)非常驚人(ren)的(de)(de)(de)(de)。而目前人(ren)類所制造(zao)的(de)(de)(de)(de)最好的(de)(de)(de)(de)機械設(she)備(動力(li)馬達)也只(zhi)能產(chan)生蟾(chan)(chan)(chan)(chan)蜍(chu)下(xia)巴肌肉的(de)(de)(de)(de)三分之(zhi)一的(de)(de)(de)(de)力(li)量(liang)(liang)。對(dui)于這(zhe)種神奇(qi)的(de)(de)(de)(de)現(xian)象,科(ke)學家們(men)通(tong)過對(dui)蟾(chan)(chan)(chan)(chan)蜍(chu)和(he)變色(se)龍的(de)(de)(de)(de)解(jie)剖尋找(zhao)相關(guan)的(de)(de)(de)(de)信息。他們(men)認為(wei)蟾(chan)(chan)(chan)(chan)蜍(chu)下(xia)巴的(de)(de)(de)(de)特殊構(gou)造(zao)是(shi)造(zao)成其肌肉產(chan)生強大力(li)量(liang)(liang)的(de)(de)(de)(de)原因(yin)之(zhi)一,這(zhe)種構(gou)造(zao)可以在(zai)最短(duan)的(de)(de)(de)(de)時(shi)(shi)(shi)間內(nei)貯存力(li)量(liang)(liang),適應肌肉所產(chan)生的(de)(de)(de)(de)張力(li),在(zai)蟾(chan)(chan)(chan)(chan)蜍(chu)大腦的(de)(de)(de)(de)操縱下(xia)實現(xian)肌肉的(de)(de)(de)(de)迅速收(shou)縮。
亞利桑那州(zhou)州(zhou)立大(da)學(xue)(xue)(xue)的(de)(de)科(ke)學(xue)(xue)(xue)家中們從蟾(chan)蜍的(de)(de)肌(ji)(ji)(ji)肉構造上獲(huo)得靈(ling)感,設(she)(she)計出了一種“機器(qi)肌(ji)(ji)(ji)腱”,這(zhe)(zhe)種裝置可(ke)以(yi)模仿蟾(chan)蜍的(de)(de)下(xia)巴肌(ji)(ji)(ji)肉迅(xun)速收(shou)縮,產(chan)生(sheng)強大(da)的(de)(de)能(neng)量。這(zhe)(zhe)種機器(qi)肌(ji)(ji)(ji)腱就是(shi)(shi)“生(sheng)物(wu)(wu)馬(ma)達(da)”,也就是(shi)(shi)人(ren)(ren)造肌(ji)(ji)(ji)肉。再配合獨有的(de)(de)高端協(xie)調輔(fu)助設(she)(she)備,可(ke)以(yi)使假肢等設(she)(she)備和人(ren)(ren)的(de)(de)大(da)腦(nao)信號協(xie)調一致,從而(er)提高假肢的(de)(de)運動功能(neng),實(shi)現殘疾(ji)人(ren)(ren)的(de)(de)正常生(sheng)活。但(dan)是(shi)(shi)科(ke)學(xue)(xue)(xue)家認(ren)為,這(zhe)(zhe)種模仿蟾(chan)蜍制造出的(de)(de)人(ren)(ren)造肌(ji)(ji)(ji)肉最關鍵的(de)(de)部分還(huan)是(shi)(shi)高端協(xie)調輔(fu)助設(she)(she)備,只有通過大(da)腦(nao)的(de)(de)操縱實(shi)現功能(neng)才(cai)是(shi)(shi)生(sheng)物(wu)(wu)馬(ma)達(da)最關鍵的(de)(de)部分,這(zhe)(zhe)個關鍵部分還(huan)需要繼續的(de)(de)研究探(tan)索。但(dan)是(shi)(shi)科(ke)學(xue)(xue)(xue)家表示(shi),這(zhe)(zhe)種“生(sheng)物(wu)(wu)馬(ma)達(da)”人(ren)(ren)造肌(ji)(ji)(ji)肉將(jiang)會促進(jin)神(shen)經(jing)肌(ji)(ji)(ji)肉學(xue)(xue)(xue)的(de)(de)研究和發展,有助于對人(ren)(ren)類(lei)神(shen)經(jing)肌(ji)(ji)(ji)肉學(xue)(xue)(xue)的(de)(de)擴展性(xing)研究,將(jiang)生(sheng)物(wu)(wu)仿生(sheng)學(xue)(xue)(xue)和生(sheng)物(wu)(wu)動力學(xue)(xue)(xue)有機結合起來(lai),這(zhe)(zhe)種神(shen)奇的(de)(de)“生(sheng)物(wu)(wu)馬(ma)達(da)”堪稱神(shen)來(lai)之筆,不(bu)僅可(ke)以(yi)幫助殘疾(ji)人(ren)(ren)的(de)(de)生(sheng)活,還(huan)推動了科(ke)學(xue)(xue)(xue)家對于生(sheng)物(wu)(wu)仿生(sheng)技(ji)術(shu)的(de)(de)發展。
科學家對人造(zao)肌肉(rou)(rou)的(de)研究已(yi)經(jing)進行了(le)幾(ji)十年,人造(zao)肌肉(rou)(rou)所用(yong)的(de)材(cai)料種類也很(hen)多,有塑(su)料、類似橡(xiang)膠(jiao)的(de)聚合物、凝膠(jiao)以(yi)及金(jin)屬(shu),但是這(zhe)些材(cai)料做成(cheng)的(de)人造(zao)肌肉(rou)(rou)面臨很(hen)多問題,比如需要消耗大量(liang)能量(liang)并且可能經(jing)常失效(xiao)而無法像(xiang)真正(zheng)的(de)肌肉(rou)(rou)那樣能自我修補。
活(huo)動自由工作(zuo)更持久
現(xian)行的(de)機器人或機械手臂(bei)受到能(neng)量(liang)限(xian)制,只能(neng)在電(dian)源附近活動(dong)(dong)。因此,美國國防部高級計劃研(yan)(yan)究署一(yi)直希望(wang)能(neng)研(yan)(yan)發(fa)出一(yi)種能(neng)像人類一(yi)樣自由活動(dong)(dong)、而(er)(er)且自身(shen)可(ke)以(yi)供應能(neng)量(liang)的(de)新型(xing)裝(zhuang)置,于是便有了這(zhe)種超級仿生(sheng)肌肉的(de)模型(xing)。據研(yan)(yan)究人員(yuan)介紹,這(zhe)種仿生(sheng)肌肉的(de)最大好處就是能(neng)量(liang)由燃料供應,以(yi)彌補電(dian)池功能(neng)的(de)諸(zhu)多不(bu)足。仿生(sheng)肌肉可(ke)以(yi)自由活動(dong)(dong),而(er)(er)且能(neng)工(gong)作(zuo)更(geng)長時間,不(bu)會(hui)因電(dian)池短命而(er)(er)動(dong)(dong)不(bu)了,也不(bu)必時刻綁(bang)個電(dian)源在身(shen)邊。
按照研究(jiu)人員的(de)(de)設想,仿生肌肉研制成(cheng)功后,將能(neng)完成(cheng)人類(lei)和(he)機器人各自(zi)無法獨立做到(dao)的(de)(de)事情。它能(neng)像(xiang)人類(lei)一樣到(dao)處行動,能(neng)像(xiang)自(zi)然手臂一樣靈活運用,還能(neng)“綁(bang)”在“外骨(gu)骼(ge)”上(shang),使(shi)消(xiao)防員、士兵(bing)和(he)宇(yu)航(hang)員等特殊(shu)行業(ye)的(de)(de)人擁有超人般的(de)(de)力量。有了(le)它,也許消(xiao)防員就可以只手撐起倒塌的(de)(de)建筑材料,而(er)戰場上(shang)的(de)(de)士兵(bing)也可以變成(cheng)不知疲倦的(de)(de)“超人”。
比常人肌肉強(qiang)100倍(bei)
為了(le)實現這些(xie)功能,美(mei)韓(han)兩國科(ke)學家聯手開(kai)發(fa)了(le)兩種(zhong)仿(fang)生肌肉,以適應不同(tong)需要。
一種是(shi)把化學能(neng)轉化成電(dian)能(neng)。它用含(han)有催化劑的(de)碳納米管彎(wan)曲(qu)搭(da)建出肌肉塊、“燃(ran)料細(xi)胞(bao)”電(dian)極和超級電(dian)容器電(dian)極,它們會在(zai)充滿氫的(de)環境中(zhong),源源不斷地產生(sheng)電(dian)源。
另一(yi)種(zhong)是把(ba)化學能(neng)轉(zhuan)化成熱(re)能(neng)。它利(li)用氫(qing)和乙醇反(fan)應(ying)提供能(neng)量(liang),配合特制的(de)記憶(yi)金屬絲。例如,當(dang)溫度降(jiang)低時,金屬絲就(jiu)會收(shou)縮,催化劑減少作用,人造(zao)肌(ji)肉就(jiu)會放松收(shou)縮。這種(zhong)方法打造(zao)出(chu)來(lai)的(de)人造(zao)肌(ji)肉力量(liang)最大,舉力是正(zheng)常骨骼肌(ji)肉的(de)100倍(bei)以上。
有循環系統也有神經
不過目前看來,這兩種肌肉(rou)都沒有一點肌肉(rou)的樣子(zi),它(ta)(ta)們(men)只是(shi)一堆電線、懸臂(bei)和(he)玻璃瓶(ping)。惟一能(neng)夠區別于(yu)機械臂(bei)的特點就是(shi)它(ta)(ta)們(men)能(neng)夠像生物一樣“呼吸(xi)”:吸(xi)入氧氣,釋放乙醇和(he)氫,提供能(neng)量。
這種情況完全(quan)可能。加拿大學者指出(chu)(chu):“事實上,人造肌(ji)肉已成功復制出(chu)(chu)了很多(duo)生(sheng)物特點。比如(ru)說,它(ta)(ta)有循(xun)環(huan)系(xi)統(tong),氧和燃料可以通過循(xun)環(huan)系(xi)統(tong)輸送,為肌(ji)肉本(ben)身提供化學反應(ying)的(de)場所(suo),然后(hou)做(zuo)出(chu)(chu)機械動作;它(ta)(ta)還有神經,由(you)特殊電路組(zu)成,能夠做(zuo)出(chu)(chu)反應(ying)并控制自(zi)己的(de)行為;它(ta)(ta)還能存儲(chu)能量,并像人類的(de)肌(ji)肉一樣,直接對接觸做(zuo)出(chu)(chu)判斷反應(ying)。”
人(ren)造肌(ji)肉(rou)(rou)(rou)(rou)伸縮(suo)性(xing)已(yi)能(neng)(neng)(neng)和人(ren)的肌(ji)肉(rou)(rou)(rou)(rou)相媲美(mei),材料(liao)自身(shen)性(xing)能(neng)(neng)(neng)決定,無需馬達、齒輪等(deng)復雜裝(zhuang)置,體積小、重量輕。研(yan)(yan)究人(ren)員稱研(yan)(yan)發(fa)的兩(liang)種人(ren)造肌(ji)肉(rou)(rou)(rou)(rou)性(xing)能(neng)(neng)(neng)均非常突出,同時具備燃料(liao)電(dian)池(chi)和肌(ji)肉(rou)(rou)(rou)(rou)的功能(neng)(neng)(neng)。其中一采用了含催(cui)化(hua)劑的碳納(na)米管電(dian)極(ji)(ji)(ji),可(ke)作為燃料(liao)電(dian)池(chi)的電(dian)極(ji)(ji)(ji)將化(hua)學能(neng)(neng)(neng)轉(zhuan)化(hua)為電(dian)能(neng)(neng)(neng),級電(dian)容器的電(dian)極(ji)(ji)(ji)來儲存電(dian)能(neng)(neng)(neng),還可(ke)作肌(ji)肉(rou)(rou)(rou)(rou)電(dian)極(ji)(ji)(ji)將電(dian)能(neng)(neng)(neng)再轉(zhuan)化(hua)為機(ji)械(xie)能(neng)(neng)(neng)。另(ling)外一種是目前最(zui)強(qiang)健的肌(ji)肉(rou)(rou)(rou)(rou),是通過混合燃料(liao)和空氣中的氧氣發(fa)生催(cui)化(hua)反應(ying),將化(hua)學能(neng)(neng)(neng)能(neng)(neng)(neng),升高的溫度(du)可(ke)使制造肌(ji)肉(rou)(rou)(rou)(rou)的具有形狀(zhuang)記憶。
功能的金屬(shu)材料(liao)用(yong)(yong)力(li)收縮,冷卻后(hou)肌(ji)肉脹放松。由于這種(zhong)燃料(liao)電(dian)池肌(ji)肉所使用(yong)(yong)的外(wai)層(ceng)涂(tu)有納米顆粒催化劑的形狀記(ji)憶金在市(shi)場上買(mai)到,這使得它(ta)尤(you)其容(rong)易在自動裝置中得到應(ying)用(yong)(yong)。
這次新研制成功的(de)(de)人造肌(ji)肉則解決了(le)這些問(wen)題。研究人員(yuan)使用更具有(you)彈性且已(yi)經被廣泛應用的(de)(de)碳納米管(guan)(carbonnanotubes)取代其(qi)它(ta)金(jin)屬薄膜(mo)來(lai)充當(dang)電(dian)(dian)極,這樣(yang)就(jiu)避免了(le)因(yin)重(zhong)復使用導(dao)致金(jin)屬膜(mo)失(shi)效而(er)出現的(de)(de)供電(dian)(dian)問(wen)題。另外,如果(guo)碳納米管(guan)某一部分出現問(wen)題,它(ta)周圍(wei)剩下的(de)(de)區域就(jiu)會(hui)將(jiang)其(qi)自我(wo)(wo)封閉起來(lai),使其(qi)不會(hui)導(dao)電(dian)(dian),這樣(yang)就(jiu)防止了(le)損(sun)壞影響到其(qi)它(ta)區域。佩·齊平說(shuo),“我(wo)(wo)們對這個新裝置(zhi)已(yi)經多次進(jin)行了(le)類似的(de)(de)實驗,包括用大頭針將(jiang)人造肌(ji)肉刺破,結果(guo)證明它(ta)并(bing)沒有(you)癱瘓(huan),還(huan)能正常工(gong)作”。
更(geng)神奇的(de)(de)(de)是,這(zhe)(zhe)種能(neng)自我(wo)修復的(de)(de)(de)人造肌肉還(huan)能(neng)發電(dian)和儲(chu)存電(dian)能(neng)。當此人造肌肉在膨脹后收縮時,它自身碳納米管的(de)(de)(de)結(jie)構(gou)會進行重新排列(lie),這(zhe)(zhe)是它就會產生(sheng)一股小(xiao)小(xiao)的(de)(de)(de)電(dian)流(liu)。并且這(zhe)(zhe)股電(dian)流(liu)是可(ke)以儲(chu)存并加以利用的(de)(de)(de),例如給(gei)下一次肌肉運(yun)動擴張(zhang)提供能(neng)量(liang),或者(zhe)貯(zhu)存在電(dian)池里給(gei)類似于iPod的(de)(de)(de)移動設備(bei)充(chong)電(dian)。“它可(ke)以將你輸送(song)給(gei)它的(de)(de)(de)近70%的(de)(de)(de)能(neng)量(liang)保存下來,”
值得一提的是,人(ren)造肌(ji)(ji)肉的服務對(dui)象(xiang)不僅(jin)僅(jin)是人(ren)類本身。研究者(zhe)介紹,人(ren)造肌(ji)(ji)肉還能成為機器(qi)人(ren)、飛(fei)機、海洋艦隊等的幫手(shou)。
由(you)于乙醇產生的(de)(de)能(neng)(neng)量(liang)系數比(bi)電池(chi)等常規能(neng)(neng)源(yuan)高出30%,因此,人(ren)造肌肉可(ke)以(yi)安裝在(zai)機器人(ren)身上充當(dang)“電池(chi)”。還可(ke)以(yi)用在(zai)假(jia)肢上,給假(jia)肢新(xin)的(de)(de)力量(liang)。
此外(wai),人(ren)(ren)(ren)造肌肉(rou)(rou)還(huan)可以當作飛機和(he)(he)艦艇(ting)的(de)(de)“外(wai)衣”。人(ren)(ren)(ren)造肌肉(rou)(rou)是(shi)由碳納(na)米管制(zhi)造而成,“披(pi)”在運輸工(gong)具(ju)外(wai)面,可以使它們運行起(qi)來(lai)阻力更(geng)小、更(geng)順利。將來(lai)有一(yi)天,人(ren)(ren)(ren)造肌肉(rou)(rou)甚至能(neng)夠替(ti)代(dai)金屬制(zhi)的(de)(de)心臟起(qi)搏器(qi),打造和(he)(he)人(ren)(ren)(ren)類(lei)身(shen)體更(geng)親近的(de)(de)新一(yi)代(dai)“人(ren)(ren)(ren)造心臟”。
超強人造肌肉
美國(guo)和(he)韓國(guo)研(yan)(yan)究者聯(lian)手研(yan)(yan)究出一(yi)種(zhong)超級仿生肌肉(rou)。這種(zhong)肌肉(rou)不僅力量大(da)得驚人,而(er)且從來(lai)不會疲(pi)憊。這一(yi)發明可能最終用于消(xiao)防隊(dui)員、宇(yu)航(hang)員或(huo)戰士,為各條戰線打造(zao)力大(da)無窮的“超人”隊(dui)伍。
新的(de)(de)人工肌(ji)肉(rou)可以(yi)模仿肌(ji)肉(rou)收縮產生(sheng)力(li)量。將(jiang)石(shi)蠟(la)嵌入經過編(bian)織形(xing)成一種(zhong)特(te)殊結(jie)構的(de)(de)碳納(na)米(mi)管(guan)纖維(wei)中(zhong),通過直接加熱(re)、電加熱(re),或者(zhe)使用一道閃光,石(shi)蠟(la)就會(hui)發(fa)生(sheng)體積膨(peng)脹(zhang),使整個“肌(ji)肉(rou)”膨(peng)脹(zhang)。但由于碳納(na)米(mi)管(guan)纖維(wei)特(te)殊的(de)(de)結(jie)構,“肌(ji)肉(rou)”的(de)(de)長度會(hui)同(tong)時(shi)發(fa)生(sheng)收縮,就產生(sheng)了力(li)量。
隨(sui)著通電和斷電,肌(ji)肉絲(si)扭曲和恢(hui)復所產(chan)生的扭力(li)足以為微型彈射器提供動力(li),在實驗室(shi)工作臺上發射金(jin)屬箔片。研究人員(yuan)決定(ding)建造一個彈射器來展示此項新(xin)發明(ming)的奧妙。
這種“肌肉”的(de)舉(ju)重能力(li)是同(tong)等尺寸的(de)天(tian)然肌肉的(de)200倍,如果(guo)按(an)重量(liang)相比,產生的(de)扭力(li)高(gao)于大型電動(dong)發(fa)動(dong)機。但(dan)人工肌肉還(huan)不能完全吊起一架鋼琴,因為當前可(ke)行(xing)的(de)生產技(ji)術限制了絲(si)的(de)重量(liang)。
壓電材料
自(zi)從(cong)1990年代中(zhong)(zhong)期以(yi)來(lai),Bar-Cohen一(yi)直(zhi)為經常變(bian)化(hua)的(de)(de)國際EAP研究人(ren)(ren)員(yuan)團體充當(dang)非(fei)正式的(de)(de)協(xie)調人(ren)(ren)。回(hui)到該領域(yu)的(de)(de)萌芽時期,“我從(cong)科(ke)技(ji)論文上讀到的(de)(de)電活化(hua)聚合物材料(liao)并不(bu)像(xiang)廣告吹噓(xu)的(de)(de)那(nei)樣神奇,”他(ta)一(yi)邊(bian)回(hui)憶,一(yi)邊(bian)狡黠地笑著(zhu),“而且當(dang)我從(cong)NASA獲得(de)經費(fei)來(lai)研究該技(ji)術時,我不(bu)得(de)不(bu)去(qu)了(le)解誰在做這個(ge)領域(yu)的(de)(de)工作,以(yi)便從(cong)中(zhong)(zhong)找到某些(xie)啟發。”僅(jin)在數年之內,Bar-Cohen就(jiu)已掌(zhang)握了(le)足夠的(de)(de)知識,并且協(xie)助舉辦(ban)了(le)首屆(jie)關于該主題的(de)(de)科(ke)技(ji)研討會(hui),開始出版一(yi)份EAP時事通訊(xun),發布了(le)一(yi)個(ge)EAP網站,還編寫了(le)兩(liang)部關于這項新興技(ji)術的(de)(de)論著(zhu)。
在(zai)(zai)噴(pen)氣推進(jin)實驗室(JPL)院內(nei)的(de)(de)(de)一幢矮(ai)層研(yan)究(jiu)建筑內(nei),試(shi)驗臺(tai)上擺滿了(le)各種致(zhi)動設(she)備原型以(yi)(yi)及測試(shi)裝置,Bar-Cohen開始回(hui)顧他已經了(le)如指掌(zhang)的(de)(de)(de)關于(yu)該領域的(de)(de)(de)歷(li)史。他說:“很長一段時(shi)間內(nei),人們一直(zhi)在(zai)(zai)尋找不用電(dian)動馬(ma)達(da)就可以(yi)(yi)移動物體(ti)的(de)(de)(de)方法(fa),因為馬(ma)達(da)對于(yu)許(xu)多應用而言顯得太(tai)過(guo)笨重。在(zai)(zai)EPAs出現之前,馬(ma)達(da)的(de)(de)(de)標準替代(dai)技術(shu)是壓電(dian)陶瓷,該技術(shu)曾一度是研(yan)究(jiu)的(de)(de)(de)熱點。”
在壓電(dian)(dian)(dian)(dian)材(cai)(cai)料中,機械應力可導致晶體電(dian)(dian)(dian)(dian)極化,而(er)且(qie)反之(zhi)(zhi)亦然。用電(dian)(dian)(dian)(dian)流刺(ci)激這種(zhong)材(cai)(cai)料將使其(qi)(qi)變形;通過改變其(qi)(qi)形狀可以產(chan)(chan)生(sheng)電(dian)(dian)(dian)(dian)。 Bar-Cohen從一張(zhang)實驗長椅(yi)上(shang)拿起一只淺(qian)灰(hui)色的(de)小碟(die)子(zi),說:“這塊碟(die)子(zi)由PZT(鋯(gao)鈦(tai)酸鉛(qian))制成。”他向我(wo)們解釋:電(dian)(dian)(dian)(dian)流使得壓電(dian)(dian)(dian)(dian)PZT產(chan)(chan)生(sheng)收縮或者(zhe)膨脹(zhang),幅度只有(you)不到(dao)其(qi)(qi)總(zong)長度的(de)百分(fen)之(zhi)(zhi)一。盡管變形量很小,但是卻有(you)用處。
在(zai)(zai)隔壁(bi)的一(yi)間屋子(zi)(zi)(zi)中,Bar-Cohen出(chu)示(shi)了由PZT碟(die)(die)子(zi)(zi)(zi)驅動的一(yi)英尺長的沖擊鉆(zhan)(zhan)(zhan),他正和JPL的同事(shi)以(yi)及Cybersonics公司的工(gong)程師們一(yi)起研制(zhi)這(zhe)些PZT碟(die)(die)子(zi)(zi)(zi)。他介紹說:“在(zai)(zai)這(zhe)個圓筒內是一(yi)疊壓電碟(die)(die)子(zi)(zi)(zi),當被交(jiao)流電激活時,這(zhe)疊碟(die)(die)子(zi)(zi)(zi)將以(yi)超音速(su)拍打(da)鉆(zhan)(zhan)(zhan)頭(tou),鉆(zhan)(zhan)(zhan)頭(tou)則以(yi)高速(su)率上下跳躍(yue),從而(er)鉆(zhan)(zhan)(zhan)入(ru)堅(jian)硬的巖石(shi)。”在(zai)(zai)另一(yi)側是幾堆石(shi)塊(kuai),石(shi)塊(kuai)已經被鉆(zhan)(zhan)(zhan)出(chu)很深的孔(kong)眼。
該(gai)鉆子作(zuo)為一個范例,說明了用(yong)壓電陶瓷制作(zuo)致動器的(de)(de)有效性(xing),的(de)(de)確讓人印象(xiang)深刻(ke)。但(dan)是,在許多應用(yong)中,要求電活化(hua)材料的(de)(de)膨脹幅度超過百分之零(ling)點幾。
高分子液晶材料
高分子液晶是(shi)科學家(jia)們心目中的(de)(de)硅的(de)(de)理想替(ti)代(dai)物(wu)。過去,許(xu)多(duo)微觀研發工作都是(shi)在硅材料(liao)的(de)(de)基礎上進行的(de)(de)。而越(yue)來越(yue)多(duo)的(de)(de)科學家(jia)認為,高分子液晶聚(ju)合物(wu)的(de)(de)柔(rou)韌性比(bi)(bi)硅好。對(dui)液晶聚(ju)合體進行精(jing)細剪裁加(jia)工后(hou),加(jia)工出(chu)的(de)(de)樣(yang)品對(dui)溫度(du)變化、紫外線(xian)照(zhao)射等特定的(de)(de)外界刺激有相應的(de)(de)反應,也比(bi)(bi)硅的(de)(de)敏(min)感程度(du)高。而且液晶聚(ju)合物(wu)的(de)(de)制造(zao)成(cheng)本比(bi)(bi)硅材料(liao)更低,加(jia)工工藝也更加(jia)簡單(dan)。
相比(bi)起硅制的(de)假肢(zhi)(zhi),“人(ren)(ren)造(zao)肌(ji)肉”更顯(xian)神奇。20世紀80年代,科(ke)(ke)學家(jia)們(men)發現,在電流的(de)作(zuo)用下,高分子液晶(jing)材(cai)料(liao)的(de)分子可以發生形變和(he)(he)扭曲,進而使材(cai)料(liao)本(ben)身產(chan)生收縮和(he)(he)彎曲——這非常類(lei)似于人(ren)(ren)類(lei)的(de)肌(ji)肉,于是科(ke)(ke)學家(jia)們(men)開始研究(jiu)如(ru)何利用高分子液晶(jing)材(cai)料(liao)構造(zao)“人(ren)(ren)造(zao)肌(ji)肉”。傳統的(de)機器人(ren)(ren)除了關節之外,四(si)肢(zhi)(zhi)不能(neng)自由活動,如(ru)果(guo)有了“人(ren)(ren)造(zao)肌(ji)肉”,則他們(men)的(de)四(si)肢(zhi)(zhi)會更加靈活且發達。
尼龍絲材料
尼龍絲(si)這種令人意料之外(wai)的(de)功用(yong),是(shi)在本周出版的(de)美國(guo)《科(ke)學》雜志中公布的(de),而這項研究的(de)參與者則是(shi)在美國(guo)德(de)克薩(sa)斯州(zhou)大學達拉斯分校工(gong)作的(de)巴西(xi)科(ke)學家們。
這(zhe)項(xiang)研(yan)究(jiu)由(you)Roy Baughman領導(dao),他是在這(zhe)項(xiang)領域中對世界貢(gong)獻(xian)最大的科(ke)學家(jia)之一。 同時,另(ling)外兩位(wei)科(ke)學家(jia)M?nica Jung de Andrade與Márcio Lima在美國相關機構攻讀(du)完博士后課程,也加盟了這(zhe)項(xiang)新研(yan)究(jiu)。
研(yan)究(jiu)顯示(shi),能夠成為制作人造肌肉材料的最重(zhong)要特征(zheng),就(jiu)是(shi)此材料有(you)能力在(zai)儲(chu)存大量能量的同(tong)時以同(tong)樣的方式(shi)保持肌肉的活性。
另一個(ge)重要的(de)指(zhi)標就是這個(ge)制作材料(liao)的(de)可逆轉性(xing)。因(yin)為研究顯示,除非一種材料(liao)在經歷(li)幾千次(ci)儲(chu)存與釋放(fang)能(neng)量的(de)過程中完全不損失(shi)其(qi)性(xing)能(neng),否則就無(wu)法保持(chi)其(qi)強大(da)的(de)收縮力(li)以保持(chi)肌肉活性(xing)。
在攻克這(zhe)一難(nan)關的過程中,科(ke)學(xue)(xue)家們(men)其實(shi)已(yi)經(jing)使用(yong)了許(xu)多材(cai)(cai)料(liao)進(jin)行人造肌肉(rou)實(shi)驗(yan)(yan)。科(ke)學(xue)(xue)家們(men)起(qi)初(chu)使用(yong)碳納米管來(lai)進(jin)行人造肌肉(rou)實(shi)驗(yan)(yan),他們(men)將該材(cai)(cai)料(liao)加(jia)熱(re),并且像真正的肌肉(rou)一樣(yang)舉起(qi)重物,但是許(xu)多實(shi)驗(yan)(yan)材(cai)(cai)料(liao)的實(shi)驗(yan)(yan)結果卻并不(bu)理想。
Márcio Lima向記者(zhe)解釋道(dao),解開這個謎題的(de)關鍵就(jiu)是研(yan)究員們找(zhao)到了(le)某些纖(xian)維材(cai)料(liao)的(de)熱膨脹系數為負,這就(jiu)相當于在加熱材(cai)料(liao)和冷卻(que)材(cai)料(liao)的(de)過程中,只要控制好與應用(yong)好材(cai)料(liao)溫度(du)的(de)變化,就(jiu)能夠準確(que)地在材(cai)料(liao)的(de)運動過程中保持材(cai)料(liao)的(de)可逆轉性(xing)。
他說道:“我們發現將纖維擰在一(yi)起形(xing)(xing)成(cheng)一(yi)個彈簧或者線圈的形(xing)(xing)狀能(neng)夠(gou)放(fang)大(da)使用效果。之后(hou)我們又實驗(yan)了許多更加便宜的纖維材(cai)料,也達到了很好的效果,尼龍絲就是(shi)其中一(yi)種。”
這種(zhong)(zhong)材料的(de)(de)(de)最大好(hao)處就是在(zai)于價格便宜,因為(wei)這種(zhong)(zhong)尼龍(long)絲每斤(jin)只需花(hua)費15雷亞(ya)爾。而且(qie)在(zai)實驗中,這種(zhong)(zhong)尼龍(long)絲所制作的(de)(de)(de)人造(zao)肌肉,在(zai)100攝氏度溫(wen)度變化內的(de)(de)(de)承重效果(guo),比人體肌肉的(de)(de)(de)性能(neng)要強84倍之(zhi)多。
在(zai)未來,這(zhe)種(zhong)新(xin)型技(ji)術可(ke)能會應(ying)用(yong)于機(ji)器人(ren)制作、生物醫學工程(例如制造(zao)承重性(xing)能強大的假(jia)肢等等),甚至(zhi)在(zai)紡(fang)織行業也(ye)可(ke)以應(ying)用(yong)。例如,在(zai)嚴熱(re)或(huo)寒冷的天氣中(zhong),你(ni)可(ke)以打(da)開(kai)或(huo)關閉衣服上用(yong)該尼龍(long)絲科技(ji)制成的“氣孔”,以達到調節溫度的目(mu)的。
SRI小組(zu)的(de)領導者(zhe)Ron Pelrine介紹說:“在與日本簽署微(wei)型機(ji)器計劃(Japanese micro-machine program)合同之后(hou),斯坦福研(yan)究院(SRI INTERNATIONAL)從1992年開始研(yan)究人造肌(ji)肉。”他從前是一名物理(li)學家(jia),轉行做機(ji)械工程師。日本官方(fang)在尋找一種新型的(de)微(wei)致動器技術。幾(ji)位(wei)SRI研(yan)究人員開始尋找一種在力學、沖程(線性(xing)位(wei)移)以及應變(單位(wei)長度或(huo)單位(wei)面積的(de)位(wei)移量)等方(fang)面的(de)性(xing)質與自然肌(ji)肉類(lei)似的(de)致動材料(liao)。
“我(wo)們(men)考察了一大堆有(you)希望的活化技術,”Pelrine回憶(yi)道。然而,他們(men)最終選擇了電(dian)(dian)致伸縮(suo)聚合物,當時來自路特葛斯大學(xue)(Rutgers University)的Jerry Scheinbeim正在研究這種(zhong)(zhong)材(cai)料。這種(zhong)(zhong)聚合物中的碳(tan)氫(qing)分子以(yi)半晶體點陣的方式排列,而這種(zhong)(zhong)晶陣具有(you)類似壓電(dian)(dian)的屬性。
當處于電(dian)(dian)場中時,所有的(de)絕(jue)緣塑料(liao)(例如聚亞(ya)安酯)將會沿電(dian)(dian)力(li)(li)線的(de)方向收縮,同(tong)時沿垂直于電(dian)(dian)力(li)(li)線的(de)方向膨(peng)脹。這種(zhong)(zhong)現象(xiang)與(yu)電(dian)(dian)致(zhi)伸(shen)縮不同(tong),被稱為(wei)麥克(ke)斯韋(wei)應力(li)(li)。Pelrine 說:“這種(zhong)(zhong)現象(xiang)早就為(wei)人們所熟知,但一直被當作是一種(zhong)(zhong)很(hen)麻煩(fan)的(de)效應。”
他意(yi)(yi)識到(dao),比(bi)聚(ju)亞安酯更(geng)軟的聚(ju)合物在靜電(dian)吸引作(zuo)用下將(jiang)更(geng)容易(yi)擠壓,因而可以提(ti)供更(geng)大的機械(xie)應變。通過對軟硅(gui)樹(shu)脂進行試驗,SRI的科學(xue)家很快證明其應變在10-15%之間,這(zhe)十(shi)分合意(yi)(yi)。經過進一步研(yan)究,這(zhe)個數(shu)字還可以提(ti)高到(dao)20-30%。為了區別這(zhe)種(zhong)新的致(zhi)動器材料(liao),硅(gui)樹(shu)脂和其他較軟的材料(liao)被命名為電(dian)絕緣(yuan)橡膠(jiao)(dielectric elastomers)(也(ye)被稱為電(dian)場活化聚(ju)合物。)
在(zai)確定出(chu)幾種有前途的聚合(he)物材料(liao)之后,在(zai)1990年代剩余的大(da)部分時間(jian)內,該(gai)小組將注(zhu)意力集中(zhong)于(yu)研(yan)制特定設備應用的具體細節。當時,該(gai)SRI研(yan)究小組新的外部經費(fei)支持和研(yan)究方向由美(mei)國國防高(gao)級研(yan)究計劃局(ju)(DARPA)和海軍研(yan)究中(zhong)心(Office of Naval Research)提供(gong),其(qi)主管的首要興(xing)趣在(zai)于(yu)將該(gai)技術(shu)用于(yu)軍事目的,包(bao)括(kuo)小型偵察機器(qi)人以及輕型發電機。
由于橡(xiang)膠開(kai)始(shi)表現(xian)出(chu)大得(de)多的(de)應變,工程師意識(shi)到(dao)電(dian)極(ji)也必(bi)須(xu)是(shi)可(ke)以(yi)膨(peng)脹(zhang)(zhang)的(de)。普通(tong)金屬電(dian)極(ji)無法(fa)伸長,除非將其割裂。Pelrine提(ti)到(dao):“起先,人們不用為這(zhe)個問題操(cao)心(xin),因為他(ta)們研究的(de)材(cai)料(liao)所提(ti)供的(de)應變只有(you)1%左右。”最后,該(gai)研究小組開(kai)發(fa)出(chu)一(yi)種基于在橡(xiang)膠陣列(elastomeric matrix)中填充碳粒的(de)屈從電(dian)極(ji)。他(ta)指出(chu):“由于電(dian)極(ji)和(he)塑(su)料(liao)一(yi)起膨(peng)脹(zhang)(zhang),它(ta)(ta)們可(ke)以(yi)在整個活(huo)動區域之間保持電(dian)場。”SRI International為該(gai)概念申請了(le)專利,它(ta)(ta)是(shi)后來人造肌肉技術的(de)關鍵之一(yi)。
Pelrine急于(yu)向我們(men)展示,他(ta)拿(na)出一(yi)個15厘米見方看(kan)(kan)上去像相框的(de)東西(xi),其(qi)(qi)兩面(mian)的(de)塑料(liao)包夾(jia)由于(yu)膨(peng)脹而緊繃(beng)著(zhu)。“看(kan)(kan),這種聚合物材料(liao)延展性(xing)非常好,”他(ta)說(shuo),同時用一(yi)只手指按(an)入其(qi)(qi)透明薄膜。“它實際上是一(yi)種雙面(mian)膠帶(dai),一(yi)大(da)卷的(de)價(jia)格(ge)很(hen)便(bian)宜。”在中(zhong)間夾(jia)片的(de)兩面(mian)是黑色、鎳幣大(da)小(xiao)的(de)電極,連著(zhu)導(dao)線。
Pelrine擰開電(dian)(dian)(dian)(dian)源的(de)(de)控制旋(xuan)鈕。立刻,黑色(se)的(de)(de)圓形電(dian)(dian)(dian)(dian)極(ji)對(dui)開始膨脹(zhang),直(zhi)徑增(zeng)加了四分(fen)之一。當他(ta)(ta)將旋(xuan)鈕擰回到原來(lai)位置時,電(dian)(dian)(dian)(dian)極(ji)馬上又(you)收縮至(zhi)原狀態。他(ta)(ta)咧嘴(zui)笑了笑,并且重復操作了好幾次,解(jie)釋說:“根本上,我們的(de)(de)設(she)備就(jiu)是電(dian)(dian)(dian)(dian)容,也就(jiu)是兩塊平行的(de)(de)充(chong)電(dian)(dian)(dian)(dian)平板,中間夾(jia)著電(dian)(dian)(dian)(dian)絕緣材(cai)料。當電(dian)(dian)(dian)(dian)源接通時,正負電(dian)(dian)(dian)(dian)荷分(fen)別在相(xiang)反的(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)極(ji)上積累。電(dian)(dian)(dian)(dian)極(ji)平板互相(xiang)吸引并且擠壓中間的(de)(de)絕緣聚合(he)物(wu),并且聚合(he)物(wu)的(de)(de)面(mian)積擴(kuo)大。”
盡管已經確(que)定出幾(ji)種(zhong)有前途的(de)(de)(de)材料(liao),要想在實(shi)(shi)際設備中實(shi)(shi)現(xian)可接受的(de)(de)(de)性能的(de)(de)(de)確(que)是一(yi)個(ge)挑戰。然而,該小組在1999年取得的(de)(de)(de)一(yi)系列突破引起了美國政府(fu)及工業界相當的(de)(de)(de)興趣。
有(you)人通過觀察發現,在電(dian)活化聚合(he)物材料之(zhi)前預(yu)(yu)先(xian)拉(la)伸(shen)(shen)它,將大大提高(gao)其性能。小組的(de)(de)(de)另一位成員Roy Kornbluh工程師回憶說:“我(wo)們開始(shi)注意(yi)到存在一個甜區(sweet point),這時可(ke)以獲(huo)得最優性能。沒有(you)人確切地知道為什么(me),但是(shi)預(yu)(yu)拉(la)伸(shen)(shen)聚合(he)物可(ke)以使擊穿(chuan)強度(du)【電(dian)極之(zhi)間電(dian)流通路(passage of current)的(de)(de)(de)阻力】增加(jia)(jia)100倍之(zhi)多。”電(dian)活化應變提高(gao)的(de)(de)(de)幅度(du)與之(zhi)類似。盡管原(yuan)因(yin)還不是(shi)很清楚,SRI的(de)(de)(de)化學(xue)家裴(pei)其冰(音)認(ren)為:“預(yu)(yu)拉(la)伸(shen)(shen)可(ke)沿平(ping)面(mian)膨(peng)脹(zhang)方(fang)向定(ding)位分子(zi)鏈,并且(qie)材料使得沿該(gai)方(fang)向更加(jia)(jia)堅硬。”為了獲(huo)得預(yu)(yu)拉(la)伸(shen)(shen)效果,SRI的(de)(de)(de)致動器設備采用了一個外部支撐結(jie)構。
第二項(xiang)關鍵發(fa)現(xian)得(de)益于(yu)研究人(ren)員(yuan)“測(ce)(ce)試(shi)我(wo)(wo)們所知道(dao)的(de)(de)每一(yi)種(zhong)可(ke)伸展(zhan)(zhan)材料,我(wo)(wo)們稱之為(wei)(wei)愛迪生方(fang)法,”Pelrine愉快地(di)告訴(su)我(wo)(wo)們。(為(wei)(wei)找到合適的(de)(de)電燈燈絲(si)材料,托(tuo)馬斯(si)·愛迪生系統地(di)試(shi)驗過各種(zhong)材質。)“在(zai)我(wo)(wo)家里,為(wei)(wei)了不(bu)讓我(wo)(wo)那剛會走路的(de)(de)孩子(zi)亂(luan)拿(na)東西,我(wo)(wo)們用(yong)一(yi)把(ba)以聚(ju)合物材料做的(de)(de)門鎖(suo)將(jiang)冰(bing)箱(xiang)鎖(suo)住。孩子(zi)逐漸長大,我(wo)(wo)們不(bu)再需要鎖(suo)什(shen)么東西,因此將(jiang)鎖(suo)拿(na)走。由于(yu)它(ta)是用(yong)可(ke)伸展(zhan)(zhan)材料制成的(de)(de),我(wo)(wo)決定測(ce)(ce)試(shi)一(yi)下它(ta)的(de)(de)應(ying)變(bian)(bian)屬性。令人(ren)驚訝的(de)(de)是,它(ta)擁有極佳的(de)(de)性能。”追溯鎖(suo)的(de)(de)來源以及分析其組成不(bu)是什(shen)么難事,最后,這種(zhong)神秘的(de)(de)聚(ju)合物“原來是聚(ju)丙烯(xi)酸橡(xiang)膠,它(ta)可(ke)以提(ti)供極大的(de)(de)應(ying)變(bian)(bian)和能量輸出(chu),線性應(ying)變(bian)(bian)達380%之多(duo)。這兩項(xiang)進展(zhan)(zhan)使得(de)我(wo)(wo)們能夠開始將(jiang)電絕緣橡(xiang)膠應(ying)用(yong)到現(xian)實的(de)(de)致(zhi)動器設備(bei)中。”該(gai)研究人(ren)員(yuan)介(jie)紹說。
天然橡膠材料
SRI小(xiao)組的(de)通(tong)用研究方法比較(jiao)靈(ling)活(huo),包(bao)括(kuo)許多(duo)種設計、甚至(zhi)包(bao)括(kuo)不(bu)同的(de)聚合物。正如(ru)裴其冰(bing)所說:“這是(shi)一臺(tai)設備,而(er)不(bu)是(shi)一件(jian)材料(liao)。”據Pelrine稱,該小(xiao)組能夠用不(bu)同的(de)聚合物產(chan)生(sheng)活(huo)化效應,包(bao)括(kuo)丙(bing)烯酸(suan)樹脂和硅(gui)樹脂。甚至(zhi)天然橡膠也能產(chan)生(sheng)一定效應。例如(ru),在(zai)外部空間的(de)極端(duan)溫(wen)度環(huan)境(jing)(jing)中(zhong),人造(zao)肌肉(rou)最好(hao)采用有機硅(gui)塑料(liao),已經證明這種材料(liao)可以在(zai)零下100攝氏度的(de)真空環(huan)境(jing)(jing)下工作。對(dui)于要求更大輸出(chu)力的(de)應用,可能需要更多(duo)的(de)聚合物材料(liao)或(huo)者將多(duo)臺(tai)設備串聯或(huo)并(bing)聯。
SRI成(cheng)員von Guggenberg 估計:“由于可(ke)以買到電絕緣橡膠的現貨,而且我們在每臺設備至多只(zhi)用(yong)到幾平方英(ying)尺的材(cai)料,因此致動器將會非常便宜,尤其是對于批量生產。”
激活電絕緣橡膠致動(dong)器的電壓(ya)(ya)相對較高(gao),通(tong)常為1到5千伏,因(yin)此該設(she)備可(ke)以(yi)在非常低的電流(liu)下運轉(一般(ban)而(er)言,高(gao)電壓(ya)(ya)意味(wei)著低電流(liu))。致動(dong)器還可(ke)以(yi)使(shi)用較細、不(bu)太(tai)貴的導線,并且可(ke)以(yi)保(bao)持相當冷(leng)卻(que)。Pelrine說:“在到達電場中止以(yi)及(ji)電流(liu)流(liu)經(電極(ji)之間的)間隔的臨界點時,更(geng)高(gao)的電壓(ya)(ya)將產生更(geng)大的膨脹(zhang)和應力(li)。”
更大的(de)難題是(shi)高(gao)電(dian)壓要用于移動設備,因(yin)為電(dian)池(chi)通常是(shi)低(di)(di)電(dian)壓的(de),因(yin)而還(huan)需要附加的(de)變壓線圈。而且,在(zai)美(mei)國賓夕法尼(ni)亞州州立大學,張啟明(音)和他的(de)研(yan)究小(xiao)組(zu)已(yi)經在(zai)嘗試通過將(jiang)某些電(dian)致伸縮聚(ju)合(he)物(wu)與其(qi)他物(wu)質結合(he)生成合(he)成物(wu),來降(jiang)低(di)(di)它們的(de)激活電(dian)壓。
當被問及電絕緣橡膠的(de)(de)耐久性時,von Guggenberg承認還需要(yao)(yao)更多的(de)(de)研究(jiu),并且證實了(le)一(yi)個“合(he)理跡(ji)象(xiang)”,即(ji)他(ta)們(men)要(yao)(yao)繼續工作足夠長時間以實現商業化用途,“例如(ru),我們(men)為一(yi)位客(ke)戶(hu)運行的(de)(de)設備(bei)(bei)可產生(sheng)5-10%的(de)(de)應(ying)變,循環(huan)(huan)1000萬次。”另一(yi)臺設備(bei)(bei)可產生(sheng)50%的(de)(de)面積應(ying)變,循環(huan)(huan)100萬次。盡管人(ren)造肌(ji)肉設備(bei)(bei)比相應(ying)的(de)(de)電動馬達要(yao)(yao)輕得多(聚合(he)物本(ben)身(shen)的(de)(de)密度與(yu)水差不(bu)多),SRI仍(reng)在通過減少(shao)必要(yao)(yao)的(de)(de)外(wai)部(bu)預應(ying)變設備(bei)(bei),來努力減輕其(qi)質量(liang)。 2004年5月27號日本(ben)橫濱國(guo)立(li)大學渡邊(bian)正(zheng)義教授領導的(de)(de)研究(jiu)小組(zu)開發出一(yi)種新型人(ren)造肌(ji)肉,用一(yi)節(jie)干(gan)電池即(ji)能驅(qu)動,用于微(wei)型機(ji)器(qi)和小型機(ji)器(qi)人(ren)的(de)(de)關節(jie)部(bu)位十分合(he)適。
這種(zhong)人造肌肉形狀像(xiang)口(kou)香(xiang)糖,長約5厘米(mi),寬(kuan)1厘米(mi),厚幾百微(wei)(wei)米(mi)。它由一(yi)種(zhong)隨電壓變化而伸(shen)縮(suo)的高分(fen)子材料與(yu)一(yi)種(zhong)不易揮發的離子液體(ti)混合制成(cheng),可以在(zai)正常(chang)環境下(xia)長期(qi)使用。如果在(zai)微(wei)(wei)型機器的關節(jie)和驅動部位裝上這種(zhong)人造肌肉,它可像(xiang)人的關節(jie)一(yi)樣發揮作用。