人工肌肉重大突破登上 Science：多國(guó)科學(xué)家聯(lián)合實(shí)現(xiàn)全新驅(qū)動(dòng)機(jī)理

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

然而在很多人心里，機(jī)器人還是僵硬、機(jī)械甚至冰冷的。

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

科學(xué)家們?cè)O(shè)計(jì)出的軟體機(jī)器人在外形上可謂五花八門(mén)，比如：

由磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的軟體機(jī)器人，看上去像是花瓣一樣。

會(huì)奔跑、能游泳、能舉重物的 “小獵豹”。

可用于軍事行動(dòng)的快速隧道挖掘機(jī)器人。

其實(shí)，軟體機(jī)器人的設(shè)計(jì)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(guó)科學(xué)家聯(lián)合美、韓、澳等多國(guó)學(xué)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(jì)出的人工肌肉具有無(wú)毒、驅(qū)動(dòng)頻率高（10 Hz）、驅(qū)動(dòng)電壓低（1V）、高比能量（0.73~3.5 J/g）、高驅(qū)動(dòng)應(yīng)變（3.85~18.6 %）、高能量密度（高達(dá) 8.17 W/g）的特性。

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(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》（Science）。

論文出自哈爾濱工業(yè)大學(xué)（復(fù)合材料與結(jié)構(gòu)研究所）、江蘇大學(xué)（智能柔性機(jī)電研究所）、常州大學(xué)（江蘇省光伏科學(xué)與工程協(xié)同創(chuàng)新中心）、美國(guó)德克薩斯大學(xué)達(dá)拉斯分校、伊利諾伊大學(xué)厄巴納 - 香檳分校、韓國(guó)漢陽(yáng)大學(xué)、首爾大學(xué)、澳大利亞臥龍崗大學(xué)、迪肯大學(xué)等團(tuán)隊(duì)。

論文題目中有個(gè)看起來(lái)有點(diǎn)兒高深的詞「碳納米管紗線」（Carbon nanotube yarns），那么在談具體的研究細(xì)節(jié)之前，我們先來(lái)解決一個(gè)問(wèn)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(jí)、軸向尺寸為微米量級(jí)、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(dú)特的力學(xué)、電學(xué)、化學(xué)性能。

基于這樣的奇特存在，碳納米管紗線也應(yīng)運(yùn)而生。

根據(jù)字面意思即可知，這是通過(guò)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(shí)是一種超導(dǎo)體，還可當(dāng)電池使用——早在 2011 年，德克薩斯大學(xué)就與美國(guó)企業(yè)展開(kāi)合作，致力于將碳納米管紗線推向市場(chǎng)。

2017 年，德克薩斯大學(xué)達(dá)拉斯分校又研制出一種名為 Twistron 的碳納米管紗線。

當(dāng)時(shí)該研究團(tuán)隊(duì)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(jí)電容器，但無(wú)需外加電源充電。因?yàn)樘技{米管與電解質(zhì)的化學(xué)電勢(shì)不同，當(dāng)紗線浸入電解質(zhì)時(shí)，一部分電荷便會(huì)嵌入其中。紗線被拉伸時(shí)，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(xué)和德克薩斯大學(xué)達(dá)拉斯分校接受聯(lián)合培養(yǎng)，也正是自那時(shí)起，哈爾濱工業(yè)大學(xué)冷勁松教授課題組與德克薩斯大學(xué)達(dá)拉斯分校 RayH. Baughman 教授課題組開(kāi)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。

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(fù)）會(huì)影響著長(zhǎng)度、直徑的變化，因此碳納米管紗線可用作電化學(xué)致動(dòng)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(guò)熱、電化學(xué)兩種方式實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)，而兩種驅(qū)動(dòng)方式存在著差別。

根據(jù)熱力學(xué)定律，熱驅(qū)動(dòng)受著卡諾循環(huán)效率（Circulation efficiency in Kano，即有一個(gè)高溫?zé)嵩礈囟?T1 和一個(gè)低溫?zé)嵩礈囟?T2 的簡(jiǎn)單循環(huán)）的制約——相比而言，電化學(xué)驅(qū)動(dòng)的能量轉(zhuǎn)換效率更高，具有更廣闊的應(yīng)用前景。

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

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

具體而言，研究人員得到了如下效果：

實(shí)現(xiàn)了單一離子嵌入、嵌出的 “單極”效應(yīng)，解決了 “雙極”效應(yīng)反向離子的嵌入、嵌出引起的性能降低問(wèn)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(dòng)性能增加，解決了傳統(tǒng)人工肌肉驅(qū)動(dòng)性能的電容依賴性問(wèn)題。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)認(rèn)為：

這一重要突破解決了人工肌肉驅(qū)動(dòng)性能的電容依賴性問(wèn)題，為后續(xù)設(shè)計(jì)具有無(wú)毒、低驅(qū)動(dòng)電壓的高性能驅(qū)動(dòng)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(kāi)結(jié)構(gòu)、仿生撲翼飛行器、可變形飛行器、水下機(jī)器人、柔性機(jī)器人、可穿戴外骨骼、醫(yī)療機(jī)器人等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。

早在20 世紀(jì) 90 年代初，哈爾濱工業(yè)大學(xué)復(fù)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(shí)際上哈工大在這一領(lǐng)域的探索，離不開(kāi)一個(gè)名字——冷勁松。

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

1992 年起，冷勁松教授就開(kāi)始開(kāi)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(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝技術(shù)、可變翼飛行器、結(jié)構(gòu)振動(dòng)主動(dòng)控制、光纖通訊和微波光電子器件、微機(jī)電系統(tǒng)等等。

另外，冷勁松教授也在 International Journal of Smart & Nano Materials 擔(dān)任主編，在 Smart Materials & Structures 和 Journal of Intelligent Material Systems and Structures 等國(guó)際雜志擔(dān)任副主編。2006 年入選教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才計(jì)劃，2007 年入選長(zhǎng)江學(xué)者特聘教授，2018 年當(dāng)選歐洲科學(xué)院物理與工程學(xué)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(tuán)隊(duì)與美國(guó)馬里蘭大學(xué) Norman M. Wereley 教授團(tuán)隊(duì)的共同研究成果發(fā)表于國(guó)際著名期刊 SoftRobotics，展示了一種受象鼻啟發(fā)的、在可伸展 / 收縮的氣動(dòng)人工肌肉的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的新型彎曲螺旋可伸展 / 收縮氣動(dòng)人工肌肉（HE-PAMs/HC-PAMs）。