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逆天人造肌肉,平均功率是人类肌肉的10倍,V-8柴油机的2.2倍,可用于机械外骨骼

简介: 逆天人造肌肉,平均功率是人类肌肉的10倍,V-8柴油机的2.2倍,可用于机械外骨骼
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前几天,文摘菌报道了科学家用天蛾的触角做传感器的案例。

科学家之所以使用天蛾的触角做传感器,原因之一就是现有的人工传感器对化学气味的敏感度都不如天蛾的触角。

但是在仿生学领域,许多人工制品的性能反而超过了生物本身。

比如说人造肌肉。

德克萨斯大学达拉斯分校的研究人员研发出了人工的电化学单极肌肉,其产生的平均机械功率输出是人类肌肉平均功率的10倍,是涡轮增压V-8柴油机单位重量输出功率的2.2倍。

这项研究被发表在《Science》上。

论文地址:
https://science.sciencemag.org/content/371/6528/494

电化学驱动,不受热力学定律限制

这项研究已经持续超过了15年,达拉斯德克萨斯大学的研究人员和他们在中国、澳大利亚、韩国的合作者一直在研究通过扭曲和卷绕碳纳米管纱线制造人造肌肉。

这个碳纳米管纱线是什么材料呢?为什么可以发挥肌肉的作用?

碳纳米管纱线是通过拉伸和松弛碳基纳米管纤维制成的紧密绞合的纱线,每一根碳纳米管纤维都是一根呈六边形排列的碳原子构成的数层同轴圆管,径向尺寸只有纳米量级。

这种材料有两种驱动方式,一是热驱动,二是电化学驱动。

由于热驱动受热力学第二定律的限制,因此电化学驱动的能量转换效率更高,应用前景更广阔。

因此,研究人员选择向碳纳米管纱线中渗透带电聚合物,从而在肌肉和电极之间产生电压,引起碳纳米管纱线长度、直径的变化,达到用驱动的效果。

“电化学驱动的肌肉特别有前途,因为它们的能量转换效率不受热力学热定律的限制,而且它们能够在支持重负荷的同时保持较大的收缩力而不消耗大量能量,”Alan g. MacDiarmid 纳米技术研究所所长 Ray Baughman 表示。

相比之下,即使没有完成机械工作,人类肌肉和热力肌肉需要大量的输入能量来支持重负荷。

从双极到单极,涂层是关键

但是,电化学方法也面临两个问题:
首先,肌肉驱动是双极性的,这意味着肌肉运动ーー不管是扩张还是收缩ーー在电位扫描时会改变方向;
第二,只有在特定电压范围给定的电解质是稳定的,超出这个电压,电解质就会分解。

为了解决这些问题,研究人员在碳纳米管纱线的内表面可以涂上了一种合适的离子导电的聚合物(聚苯乙烯磺酸钠),这种聚合物包含正电荷或负电荷的化学基团。

“这种聚合物涂层将碳纳米管线的正常双极驱动转化为单极驱动,在电解质的整个稳定范围内,肌肉可以朝一个方向驱动,”Baughman说,“我们长期寻求的这种表现具有令人惊讶的结果,使电化学碳纳米管肌肉更快、更强大。”

论文作者之一、化学博士生Zhong Wang解释了基本的科学原理,他说:“聚合物的偶极场改变了零电荷势——也就是纳米管上的电荷改变标志的地方——到电解质的稳定范围之外。因此,只有一种信号的离子被电化学注入以补偿这种电子电荷,在整个可用电位扫描范围内,肌肉的冲程在一个方向上发生变化。”

论文作者之一Jiuke Mu 博士也表示,聚合物涂层有助于解决电化学纱线肌肉的电容问题。

根据论文描述,这种加了聚合物涂层的电化学单极肌肉,其收缩产生的最大平均输出机械功率为2.9瓦/克,约为人类肌肉典型功率的10倍,约为涡轮增压V-8柴油机单位重量功率的2.2倍。

可以应用到机械外骨骼、人工心脏

这种人工肌肉具有广泛的应用范围,包括机械外骨骼、可变形服装、人工心脏等。

对于机器人,Baughman说,机器人发动机一般很重,很难在一个具有广泛的运动自由的设备中协调。相比之下,人造肌肉可以为机械外骨骼提供动力,这可以让人在仓库里工作,轻松移动重物。

根据舒适度进行调整的可变形服装是另一种应用,它允许穿着者根据天气情况改变纺织品的孔隙度。

另外还包括人造心脏等需要动力的医疗机械,也可以通过人工肌肉来实现。
当然,在实际应用成为可能之前,目前的挑战还在于如何大规模生产具有成本效益的高质量碳纳米管纱线。

论文的第一作者是四川大学的Hetao Chu博士,通讯作者除了Baughman,还有江苏大学的Jianning Ding 博士和哈尔滨工业大学的Jinsong Leng博士。

其他合作机构还包括伊利诺伊大学厄巴纳香槟分校、汉阳大学、首尔国立大学、迪肯大学、常州大学、卧龙岗大学等。

相关报道:
https://spectrum.ieee.org/tech-talk/biomedical/bionics/nanotube-bionic-muscles-are-10-times-stronger
https://spectrum.ieee.org/tech-talk/biomedical/bionics/nanotube-bionic-muscles-are-10-times-stronger
https://science.sciencemag.org/content/371/6528/494

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