人造肌肉又叫電活性(xing)聚合物,是一種新型智能(neng)高分子材料(liao),它能(neng)夠(gou)在(zai)外加電場下,通過材料(liao)內(nei)部(bu)結構的改變(bian)而伸縮、彎曲、束緊或膨(peng)脹,和生(sheng)物肌肉十分相似。醫學上,人造器(qi)(qi)(qi)官(guan)是指能(neng)植(zhi)(zhi)入人體(ti)或能(neng)與生(sheng)物組(zu)織或生(sheng)物流體(ti)相接觸的材料(liao),有天(tian)(tian)然(ran)器(qi)(qi)(qi)官(guan)組(zu)織的功能(neng)或天(tian)(tian)然(ran)器(qi)(qi)(qi)官(guan)部(bu)件功能(neng)的材料(liao)。根據制造器(qi)(qi)(qi)官(guan)使用(yong)的材料(liao)以及(ji)其功能(neng)科學將(jiang)人造器(qi)(qi)(qi)官(guan)分為三種:機械(xie)性(xing)人造器(qi)(qi)(qi)官(guan)、半機械(xie)性(xing)半生(sheng)物性(xing)人造器(qi)(qi)(qi)官(guan)、生(sheng)物性(xing)人造器(qi)(qi)(qi)官(guan)。其中(zhong),前(qian)兩類型種的人造器(qi)(qi)(qi)官(guan)移植(zhi)(zhi)后會(hui)讓患者產(chan)生(sheng)排斥(chi)反(fan)應,對(dui)受體(ti)來說(shuo),適(shi)無(wu)副作用(yong)的是最后一種也就(jiu)是生(sheng)物性(xing)人造器(qi)(qi)(qi)官(guan)。
人(ren)(ren)(ren)造肌肉(rou)狀材(cai)料是根據生物學原理,由(you)3種氨(an)基酸(纈氨(an)酸、脯氨(an)酸和甘氨(an)酸)按一定順序(xu)排列而構成的(de),它(ta)(ta)類似于(yu)人(ren)(ren)(ren)的(de)肌肉(rou)纖維,具有彈性,且能(neng)隨環境(jing)溫度(du)和化學成分(如pH值)的(de)變化而伸縮。由(you)于(yu)它(ta)(ta)能(neng)模擬(ni)活體(ti)的(de)生物過程,于(yu)是,人(ren)(ren)(ren)們把(ba)這種材(cai)料稱(cheng)為生物聚合物。
來自亞利桑那州州立大學的(de)研究員西宮川認為,人(ren)(ren)類的(de)肌(ji)肉是(shi)人(ren)(ren)四肢活(huo)動(dong)的(de)馬(ma)達,只有生(sheng)產出超級的(de)人(ren)(ren)造(zao)肌(ji)肉和裝(zhuang)置,才能讓殘(can)障人(ren)(ren)士(shi)的(de)假肢恢復正常的(de)功能,這種(zhong)新式的(de)人(ren)(ren)造(zao)肌(ji)肉將有可能治(zhi)療神經肌(ji)肉型疾(ji)病帕金森(sen)氏癥(zheng)。為此,科學家們利用生(sheng)物(wu)仿生(sheng)學,通過(guo)對蟾蜍(chu)和變色(se)龍的(de)肌(ji)肉的(de)研究,打(da)造(zao)出了這種(zhong)神奇的(de)“生(sheng)物(wu)馬(ma)達”。
科學(xue)家發現,一個蟾蜍的(de)(de)(de)(de)(de)下巴肌(ji)(ji)肉(rou)(rou)能夠產(chan)(chan)生(sheng)大于它自身體(ti)重700倍的(de)(de)(de)(de)(de)力(li)量(liang),而變色(se)龍(long)捕食的(de)(de)(de)(de)(de)時(shi)候,舌頭肌(ji)(ji)肉(rou)(rou)收(shou)縮(suo)(suo)時(shi)所(suo)產(chan)(chan)生(sheng)的(de)(de)(de)(de)(de)力(li)量(liang)也(ye)是非常驚人的(de)(de)(de)(de)(de)。而目前(qian)人類所(suo)制造(zao)的(de)(de)(de)(de)(de)最好(hao)的(de)(de)(de)(de)(de)機(ji)械設備(bei)(動力(li)馬達)也(ye)只能產(chan)(chan)生(sheng)蟾蜍下巴肌(ji)(ji)肉(rou)(rou)的(de)(de)(de)(de)(de)三(san)分之一的(de)(de)(de)(de)(de)力(li)量(liang)。對于這種(zhong)神奇(qi)的(de)(de)(de)(de)(de)現象,科學(xue)家們(men)通過對蟾蜍和變色(se)龍(long)的(de)(de)(de)(de)(de)解剖尋找相關的(de)(de)(de)(de)(de)信(xin)息。他(ta)們(men)認為蟾蜍下巴的(de)(de)(de)(de)(de)特(te)殊構(gou)造(zao)是造(zao)成其肌(ji)(ji)肉(rou)(rou)產(chan)(chan)生(sheng)強大力(li)量(liang)的(de)(de)(de)(de)(de)原(yuan)因之一,這種(zhong)構(gou)造(zao)可以在(zai)最短的(de)(de)(de)(de)(de)時(shi)間內貯存力(li)量(liang),適應肌(ji)(ji)肉(rou)(rou)所(suo)產(chan)(chan)生(sheng)的(de)(de)(de)(de)(de)張力(li),在(zai)蟾蜍大腦的(de)(de)(de)(de)(de)操縱下實現肌(ji)(ji)肉(rou)(rou)的(de)(de)(de)(de)(de)迅(xun)速收(shou)縮(suo)(suo)。
亞利桑那州州立大(da)學(xue)(xue)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)科學(xue)(xue)家中們(men)從蟾(chan)蜍的(de)(de)(de)(de)(de)(de)肌(ji)(ji)肉(rou)(rou)構造(zao)上獲得靈感,設(she)計出(chu)了(le)(le)一種(zhong)“機(ji)器肌(ji)(ji)腱”,這(zhe)(zhe)種(zhong)裝置可以模(mo)仿(fang)蟾(chan)蜍的(de)(de)(de)(de)(de)(de)下(xia)巴肌(ji)(ji)肉(rou)(rou)迅速(su)收縮(suo),產生(sheng)(sheng)強大(da)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)能(neng)量。這(zhe)(zhe)種(zhong)機(ji)器肌(ji)(ji)腱就(jiu)是(shi)“生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)(wu)(wu)馬(ma)達”,也就(jiu)是(shi)人(ren)(ren)造(zao)肌(ji)(ji)肉(rou)(rou)。再配(pei)合獨有的(de)(de)(de)(de)(de)(de)高端協(xie)調輔(fu)助(zhu)設(she)備(bei),可以使假(jia)肢(zhi)等設(she)備(bei)和人(ren)(ren)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)大(da)腦信號協(xie)調一致(zhi),從而提高假(jia)肢(zhi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)運動(dong)功(gong)能(neng),實(shi)現殘疾人(ren)(ren)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)正常生(sheng)(sheng)活。但(dan)是(shi)科學(xue)(xue)家認為,這(zhe)(zhe)種(zhong)模(mo)仿(fang)蟾(chan)蜍制(zhi)造(zao)出(chu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)人(ren)(ren)造(zao)肌(ji)(ji)肉(rou)(rou)最關鍵的(de)(de)(de)(de)(de)(de)部分(fen)(fen)(fen)還(huan)是(shi)高端協(xie)調輔(fu)助(zhu)設(she)備(bei),只有通過大(da)腦的(de)(de)(de)(de)(de)(de)操縱實(shi)現功(gong)能(neng)才是(shi)生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)(wu)(wu)馬(ma)達最關鍵的(de)(de)(de)(de)(de)(de)部分(fen)(fen)(fen),這(zhe)(zhe)個關鍵部分(fen)(fen)(fen)還(huan)需(xu)要繼(ji)續的(de)(de)(de)(de)(de)(de)研(yan)(yan)(yan)究探索。但(dan)是(shi)科學(xue)(xue)家表示(shi),這(zhe)(zhe)種(zhong)“生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)(wu)(wu)馬(ma)達”人(ren)(ren)造(zao)肌(ji)(ji)肉(rou)(rou)將(jiang)會促進神(shen)經肌(ji)(ji)肉(rou)(rou)學(xue)(xue)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)研(yan)(yan)(yan)究和發展,有助(zhu)于對(dui)(dui)人(ren)(ren)類神(shen)經肌(ji)(ji)肉(rou)(rou)學(xue)(xue)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)擴展性研(yan)(yan)(yan)究,將(jiang)生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)(wu)(wu)仿(fang)生(sheng)(sheng)學(xue)(xue)和生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)(wu)(wu)動(dong)力學(xue)(xue)有機(ji)結合起(qi)來(lai),這(zhe)(zhe)種(zhong)神(shen)奇(qi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)“生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)(wu)(wu)馬(ma)達”堪稱神(shen)來(lai)之筆(bi),不僅可以幫助(zhu)殘疾人(ren)(ren)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)生(sheng)(sheng)活,還(huan)推動(dong)了(le)(le)科學(xue)(xue)家對(dui)(dui)于生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)(wu)(wu)仿(fang)生(sheng)(sheng)技術的(de)(de)(de)(de)(de)(de)發展。
科學(xue)家(jia)對(dui)人(ren)(ren)造肌肉(rou)的(de)研究已(yi)經進行了(le)幾(ji)十年,人(ren)(ren)造肌肉(rou)所用的(de)材(cai)料種類也很多,有塑(su)料、類似橡膠(jiao)的(de)聚合物、凝膠(jiao)以及(ji)金屬,但是這些材(cai)料做(zuo)成的(de)人(ren)(ren)造肌肉(rou)面臨(lin)很多問(wen)題,比如需(xu)要消(xiao)耗(hao)大(da)量能(neng)量并且可能(neng)經常失效而無法像真(zhen)正的(de)肌肉(rou)那(nei)樣能(neng)自我修(xiu)補。
活動(dong)自由工作更持久(jiu)
現行的機(ji)器(qi)人(ren)或機(ji)械手臂受到能(neng)量(liang)限制,只能(neng)在(zai)電源(yuan)附近活動(dong)(dong)(dong)。因此,美國國防部高級計劃(hua)研(yan)究(jiu)(jiu)署(shu)一(yi)直希望能(neng)研(yan)發出一(yi)種(zhong)(zhong)能(neng)像人(ren)類一(yi)樣自(zi)由活動(dong)(dong)(dong)、而且(qie)自(zi)身(shen)可以(yi)(yi)供應(ying)能(neng)量(liang)的新型裝置,于(yu)是(shi)(shi)便有了(le)這(zhe)種(zhong)(zhong)超級仿(fang)生肌肉(rou)(rou)的模(mo)型。據研(yan)究(jiu)(jiu)人(ren)員介紹,這(zhe)種(zhong)(zhong)仿(fang)生肌肉(rou)(rou)的最大好處就是(shi)(shi)能(neng)量(liang)由燃料供應(ying),以(yi)(yi)彌補電池(chi)功(gong)能(neng)的諸多不足。仿(fang)生肌肉(rou)(rou)可以(yi)(yi)自(zi)由活動(dong)(dong)(dong),而且(qie)能(neng)工作(zuo)更長時(shi)間(jian),不會因電池(chi)短命而動(dong)(dong)(dong)不了(le),也不必(bi)時(shi)刻綁個電源(yuan)在(zai)身(shen)邊。
按照(zhao)研究(jiu)人員(yuan)(yuan)(yuan)的(de)設想,仿生肌肉研制成功后(hou),將能完成人類(lei)和(he)機器人各自無法獨立做到的(de)事情(qing)。它能像(xiang)人類(lei)一樣到處行動,能像(xiang)自然手臂一樣靈(ling)活(huo)運用,還能“綁”在(zai)“外骨骼”上,使消防員(yuan)(yuan)(yuan)、士兵(bing)和(he)宇航(hang)員(yuan)(yuan)(yuan)等特殊行業的(de)人擁有(you)超人般的(de)力量(liang)。有(you)了(le)它,也許(xu)消防員(yuan)(yuan)(yuan)就可以只(zhi)手撐起倒(dao)塌的(de)建筑材(cai)料,而戰(zhan)場上的(de)士兵(bing)也可以變成不(bu)知疲倦(juan)的(de)“超人”。
比常(chang)人肌肉強100倍
為了實(shi)現(xian)這些功能,美韓兩(liang)國科(ke)學家聯手開發(fa)了兩(liang)種仿(fang)生肌(ji)肉(rou),以適應不同需要。
一種(zhong)是把化學能(neng)轉化成(cheng)電(dian)(dian)(dian)能(neng)。它(ta)用含(han)有催化劑的碳納米管彎曲搭建出肌肉(rou)塊(kuai)、“燃(ran)料(liao)細胞”電(dian)(dian)(dian)極(ji)和超(chao)級電(dian)(dian)(dian)容器電(dian)(dian)(dian)極(ji),它(ta)們會在充(chong)滿(man)氫的環境(jing)中,源源不斷地產生電(dian)(dian)(dian)源。
另(ling)一種(zhong)是把化學能(neng)轉化成熱能(neng)。它利(li)用氫和乙醇(chun)反應提供能(neng)量,配合特(te)制的記(ji)憶金屬絲(si)。例如(ru),當溫度降低(di)時,金屬絲(si)就會收縮,催(cui)化劑(ji)減少作用,人造(zao)(zao)肌(ji)肉就會放松收縮。這種(zhong)方法打(da)造(zao)(zao)出來的人造(zao)(zao)肌(ji)肉力量最大(da),舉力是正常(chang)骨骼肌(ji)肉的100倍(bei)以(yi)上。
有循環系統也有神經
不過目前看(kan)來,這(zhe)兩種(zhong)肌(ji)肉(rou)都沒(mei)有一(yi)(yi)點肌(ji)肉(rou)的(de)樣子,它(ta)們(men)只是一(yi)(yi)堆電線、懸(xuan)臂(bei)和(he)玻(bo)璃瓶。惟一(yi)(yi)能夠區別于機械臂(bei)的(de)特點就(jiu)是它(ta)們(men)能夠像生物一(yi)(yi)樣“呼(hu)吸”:吸入(ru)氧(yang)氣,釋放乙醇和(he)氫(qing),提(ti)供(gong)能量(liang)。
這種情況完(wan)全可(ke)能。加(jia)拿大學(xue)者指(zhi)出(chu):“事實上(shang),人造肌肉已(yi)成功復制出(chu)了很多(duo)生物特(te)點。比如(ru)說,它有循環系(xi)統,氧和燃料可(ke)以通過循環系(xi)統輸送,為(wei)肌肉本(ben)身提供化學(xue)反(fan)應的場所(suo),然后(hou)做(zuo)出(chu)機械動作(zuo);它還有神經,由(you)特(te)殊電路(lu)組成,能夠做(zuo)出(chu)反(fan)應并(bing)控制自己(ji)的行為(wei);它還能存(cun)儲能量,并(bing)像人類(lei)的肌肉一樣,直接對接觸做(zuo)出(chu)判斷反(fan)應。”
人(ren)造肌(ji)(ji)肉(rou)伸縮(suo)性(xing)已能和人(ren)的(de)(de)(de)肌(ji)(ji)肉(rou)相(xiang)媲美,材料自身性(xing)能決(jue)定,無(wu)需馬達、齒輪等(deng)復雜(za)裝置,體積小、重量(liang)輕。研究人(ren)員(yuan)稱(cheng)研發的(de)(de)(de)兩(liang)種人(ren)造肌(ji)(ji)肉(rou)性(xing)能均(jun)非(fei)常突出,同時具備燃料電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池和肌(ji)(ji)肉(rou)的(de)(de)(de)功能。其(qi)中(zhong)一采(cai)用了含催(cui)化劑的(de)(de)(de)碳納米管電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)極(ji),可(ke)作(zuo)為燃料電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)池的(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)極(ji)將化學(xue)能轉化為電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)能,級電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)容器的(de)(de)(de)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)極(ji)來儲存電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)能,還(huan)可(ke)作(zuo)肌(ji)(ji)肉(rou)電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)極(ji)將電(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)能再轉化為機(ji)械能。另外一種是(shi)(shi)目前最強(qiang)健的(de)(de)(de)肌(ji)(ji)肉(rou),是(shi)(shi)通過混合燃料和空氣中(zhong)的(de)(de)(de)氧氣發生催(cui)化反應,將化學(xue)能能,升高的(de)(de)(de)溫度可(ke)使制造肌(ji)(ji)肉(rou)的(de)(de)(de)具有形狀記憶。
功能的金屬材(cai)料用力收縮,冷卻后肌(ji)肉(rou)脹放松。由于這種燃料電(dian)池肌(ji)肉(rou)所(suo)使用的外層涂有納米顆(ke)粒催化劑的形狀記憶(yi)金在(zai)市(shi)場(chang)上買到,這使得(de)它尤其容易在(zai)自動裝(zhuang)置中得(de)到應用。
這次(ci)新研制成功的(de)人造(zao)肌肉則解決了這些問題。研究人員使用(yong)更(geng)具有彈性且(qie)已經被廣(guang)泛應用(yong)的(de)碳(tan)納米(mi)管(carbonnanotubes)取(qu)代其它(ta)金(jin)屬(shu)薄膜來充當電極,這樣就(jiu)避免(mian)了因重復使用(yong)導致金(jin)屬(shu)膜失效而出現(xian)的(de)供(gong)電問題。另外,如果碳(tan)納米(mi)管某(mou)一部(bu)分出現(xian)問題,它(ta)周圍(wei)剩下的(de)區域就(jiu)會將其自(zi)我(wo)封閉起來,使其不會導電,這樣就(jiu)防止了損(sun)壞影響到其它(ta)區域。佩·齊平說,“我(wo)們對這個新裝置(zhi)已經多(duo)次(ci)進行了類(lei)似(si)的(de)實驗,包括用(yong)大頭針(zhen)將人造(zao)肌肉刺破(po),結果證明(ming)它(ta)并沒(mei)有癱瘓,還能正常工作(zuo)”。
更神奇的(de)(de)是(shi),這(zhe)種能自我修復(fu)的(de)(de)人(ren)造肌(ji)肉(rou)(rou)還能發電(dian)(dian)和儲存(cun)電(dian)(dian)能。當此人(ren)造肌(ji)肉(rou)(rou)在膨脹后(hou)收縮時,它(ta)自身碳納米管的(de)(de)結構會(hui)進行重新(xin)排列,這(zhe)是(shi)它(ta)就會(hui)產生一(yi)股小小的(de)(de)電(dian)(dian)流(liu)。并且(qie)這(zhe)股電(dian)(dian)流(liu)是(shi)可以儲存(cun)并加以利用的(de)(de),例如給(gei)下一(yi)次肌(ji)肉(rou)(rou)運動擴張提供能量(liang),或(huo)者貯存(cun)在電(dian)(dian)池(chi)里(li)給(gei)類似于iPod的(de)(de)移動設備(bei)充(chong)電(dian)(dian)。“它(ta)可以將(jiang)你輸送給(gei)它(ta)的(de)(de)近70%的(de)(de)能量(liang)保存(cun)下來,”
值(zhi)得一提(ti)的(de)是,人造(zao)肌肉的(de)服(fu)務(wu)對象(xiang)不僅僅是人類(lei)本身。研究(jiu)者介(jie)紹,人造(zao)肌肉還能(neng)成為機器(qi)人、飛(fei)機、海(hai)洋艦隊等(deng)的(de)幫(bang)手。
由于乙醇產生的(de)能量系(xi)數(shu)比電池等常規能源(yuan)高出30%,因此,人造(zao)肌肉可以安裝在機(ji)器人身上(shang)充當“電池”。還(huan)可以用在假肢上(shang),給(gei)假肢新的(de)力量。
此外,人(ren)(ren)造(zao)肌肉(rou)(rou)還可(ke)以當作飛機(ji)和艦艇的“外衣”。人(ren)(ren)造(zao)肌肉(rou)(rou)是由碳納米管制造(zao)而成,“披”在(zai)運(yun)輸(shu)工具(ju)外面,可(ke)以使(shi)它們運(yun)行起(qi)來阻(zu)力更小、更順利。將來有一(yi)天(tian),人(ren)(ren)造(zao)肌肉(rou)(rou)甚至能夠替代金屬(shu)制的心(xin)臟(zang)起(qi)搏器,打造(zao)和人(ren)(ren)類身體更親近的新(xin)一(yi)代“人(ren)(ren)造(zao)心(xin)臟(zang)”。
超強人造肌肉
美國和韓(han)國研究者聯手研究出一(yi)種(zhong)超級仿生肌肉。這種(zhong)肌肉不僅力量(liang)大得(de)驚人(ren),而且從來不會疲(pi)憊。這一(yi)發明可(ke)能最終(zhong)用于消防隊員、宇航員或戰士,為各條戰線打造力大無窮的(de)“超人(ren)”隊伍。
新(xin)的(de)人工肌(ji)肉可以模仿(fang)肌(ji)肉收(shou)縮(suo)產(chan)生(sheng)力(li)量。將(jiang)石蠟嵌入經(jing)過編織(zhi)形成一種(zhong)特殊(shu)結構(gou)(gou)的(de)碳納米(mi)管纖維(wei)中,通(tong)過直接(jie)加(jia)熱、電(dian)加(jia)熱,或者(zhe)使用一道閃光,石蠟就會發(fa)生(sheng)體(ti)積(ji)膨脹,使整(zheng)個(ge)“肌(ji)肉”膨脹。但由于碳納米(mi)管纖維(wei)特殊(shu)的(de)結構(gou)(gou),“肌(ji)肉”的(de)長度會同時(shi)發(fa)生(sheng)收(shou)縮(suo),就產(chan)生(sheng)了力(li)量。
隨(sui)著通(tong)電和(he)斷(duan)電,肌肉絲扭曲和(he)恢復所產生的(de)扭力(li)足以為微型彈射(she)器提供動力(li),在實驗室(shi)工(gong)作(zuo)臺上發射(she)金屬箔片(pian)。研究(jiu)人員決定建造一個彈射(she)器來展(zhan)示此項新發明的(de)奧妙。
這種“肌(ji)肉(rou)”的舉重(zhong)能力是同(tong)等尺寸的天然肌(ji)肉(rou)的200倍,如果按重(zhong)量相(xiang)比,產(chan)生(sheng)的扭(niu)力高于大型電動發動機。但人工肌(ji)肉(rou)還不能完全吊起(qi)一(yi)架鋼琴,因為當前(qian)可行(xing)的生(sheng)產(chan)技術限(xian)制了絲(si)的重(zhong)量。
壓電材料
自(zi)從(cong)(cong)1990年代(dai)中期以來,Bar-Cohen一(yi)直為經常變化的國(guo)際EAP研(yan)究(jiu)人員團(tuan)體充當非正式(shi)的協調人。回到(dao)該(gai)領(ling)域的萌芽時期,“我從(cong)(cong)科(ke)技(ji)(ji)論(lun)文上讀到(dao)的電(dian)活(huo)化聚合物材料(liao)并不像廣告(gao)吹噓的那(nei)樣神奇,”他(ta)一(yi)邊回憶,一(yi)邊狡黠(xia)地笑著,“而且當我從(cong)(cong)NASA獲得經費來研(yan)究(jiu)該(gai)技(ji)(ji)術時,我不得不去了(le)(le)(le)解誰在做這個(ge)領(ling)域的工作(zuo),以便從(cong)(cong)中找到(dao)某(mou)些啟發(fa)。”僅在數年之內,Bar-Cohen就已掌握(wo)了(le)(le)(le)足夠的知識,并且協助舉(ju)辦了(le)(le)(le)首屆(jie)關于該(gai)主題的科(ke)技(ji)(ji)研(yan)討會(hui),開(kai)始出版一(yi)份(fen)EAP時事通(tong)訊,發(fa)布了(le)(le)(le)一(yi)個(ge)EAP網站,還編寫了(le)(le)(le)兩部關于這項新興技(ji)(ji)術的論(lun)著。
在(zai)噴氣推(tui)進實(shi)驗室(JPL)院內(nei)的(de)(de)(de)一(yi)(yi)幢矮層研究(jiu)(jiu)建(jian)筑內(nei),試驗臺上(shang)擺滿了(le)各種致動(dong)(dong)設備原(yuan)型以及(ji)測試裝置(zhi),Bar-Cohen開始(shi)回顧他已(yi)經了(le)如指(zhi)掌的(de)(de)(de)關于(yu)該領域的(de)(de)(de)歷史。他說:“很長一(yi)(yi)段時間內(nei),人們一(yi)(yi)直在(zai)尋找不用(yong)電動(dong)(dong)馬(ma)(ma)達就(jiu)可以移動(dong)(dong)物體的(de)(de)(de)方法,因為馬(ma)(ma)達對于(yu)許多應用(yong)而(er)言顯得太過笨重。在(zai)EPAs出(chu)現之(zhi)前,馬(ma)(ma)達的(de)(de)(de)標(biao)準替代技術(shu)是壓電陶瓷(ci),該技術(shu)曾一(yi)(yi)度是研究(jiu)(jiu)的(de)(de)(de)熱(re)點。”
在壓(ya)電(dian)(dian)材料中,機械應力可導(dao)致晶體電(dian)(dian)極化,而且反之亦然。用(yong)電(dian)(dian)流刺激這種材料將使(shi)其(qi)(qi)變形(xing);通過改變其(qi)(qi)形(xing)狀可以產(chan)(chan)生電(dian)(dian)。 Bar-Cohen從一(yi)(yi)張實驗長(chang)椅上(shang)拿起一(yi)(yi)只淺灰色(se)的(de)小(xiao)(xiao)碟子,說:“這塊(kuai)碟子由PZT(鋯鈦(tai)酸鉛)制(zhi)成。”他向我們解釋:電(dian)(dian)流使(shi)得壓(ya)電(dian)(dian)PZT產(chan)(chan)生收縮或者膨脹,幅度只有不到其(qi)(qi)總長(chang)度的(de)百分之一(yi)(yi)。盡管(guan)變形(xing)量很小(xiao)(xiao),但是卻有用(yong)處(chu)。
在隔壁的一(yi)(yi)間屋子(zi)(zi)中,Bar-Cohen出示(shi)了由PZT碟(die)子(zi)(zi)驅動的一(yi)(yi)英(ying)尺長的沖(chong)擊鉆,他正和JPL的同事以(yi)及Cybersonics公(gong)司的工程師們一(yi)(yi)起研制這(zhe)些(xie)PZT碟(die)子(zi)(zi)。他介(jie)紹(shao)說:“在這(zhe)個圓筒內是(shi)一(yi)(yi)疊壓電碟(die)子(zi)(zi),當被(bei)交流電激活時(shi),這(zhe)疊碟(die)子(zi)(zi)將以(yi)超(chao)音速拍(pai)打鉆頭(tou),鉆頭(tou)則(ze)以(yi)高速率(lv)上下跳躍(yue),從而鉆入堅硬的巖石。”在另一(yi)(yi)側是(shi)幾堆石塊,石塊已經被(bei)鉆出很深(shen)的孔眼(yan)。
該(gai)鉆子作為一個(ge)范例(li),說明了(le)用壓電(dian)陶瓷制作致動(dong)器的有效性,的確讓人印象(xiang)深刻。但是(shi),在許多(duo)應用中,要求電(dian)活化材料的膨脹幅度超過百(bai)分之零點幾。
高分子液晶材料
高分(fen)子液(ye)晶(jing)是科(ke)學家(jia)們心目中的(de)(de)硅的(de)(de)理想替代物(wu)(wu)。過去(qu),許(xu)多微觀研發工(gong)作都是在(zai)硅材(cai)料(liao)的(de)(de)基礎上進(jin)行的(de)(de)。而(er)越來越多的(de)(de)科(ke)學家(jia)認為,高分(fen)子液(ye)晶(jing)聚(ju)合(he)(he)物(wu)(wu)的(de)(de)柔韌(ren)性(xing)比(bi)硅好。對液(ye)晶(jing)聚(ju)合(he)(he)體進(jin)行精細剪裁加(jia)(jia)工(gong)后,加(jia)(jia)工(gong)出(chu)的(de)(de)樣品對溫度變(bian)化、紫外線照(zhao)射等特(te)定的(de)(de)外界(jie)刺(ci)激有相應的(de)(de)反(fan)應,也(ye)比(bi)硅的(de)(de)敏感程度高。而(er)且(qie)液(ye)晶(jing)聚(ju)合(he)(he)物(wu)(wu)的(de)(de)制造成(cheng)本比(bi)硅材(cai)料(liao)更低(di),加(jia)(jia)工(gong)工(gong)藝(yi)也(ye)更加(jia)(jia)簡(jian)單。
相(xiang)比起硅(gui)制的(de)(de)假肢(zhi),“人造肌(ji)肉(rou)”更(geng)顯神(shen)奇。20世紀80年代,科學家們(men)發現(xian),在電流的(de)(de)作用下,高分(fen)子(zi)(zi)(zi)液晶材料(liao)的(de)(de)分(fen)子(zi)(zi)(zi)可以(yi)發生(sheng)形變和(he)扭(niu)曲(qu),進而使材料(liao)本身產生(sheng)收縮(suo)和(he)彎曲(qu)——這非常類似(si)于人類的(de)(de)肌(ji)肉(rou),于是科學家們(men)開始研(yan)究如何利用高分(fen)子(zi)(zi)(zi)液晶材料(liao)構(gou)造“人造肌(ji)肉(rou)”。傳統的(de)(de)機(ji)器(qi)人除了關(guan)節之(zhi)外(wai),四肢(zhi)不能自由活動(dong),如果有了“人造肌(ji)肉(rou)”,則他們(men)的(de)(de)四肢(zhi)會更(geng)加(jia)靈活且發達。
尼龍絲材料
尼龍絲這種令人意(yi)料之外的(de)(de)功用,是在(zai)本周出版的(de)(de)美國《科學》雜志中公布的(de)(de),而這項研究(jiu)的(de)(de)參與者則是在(zai)美國德克(ke)薩斯州大學達拉斯分校工(gong)作的(de)(de)巴西科學家們(men)。
這項(xiang)研究由Roy Baughman領導,他是在這項(xiang)領域中對(dui)世界貢獻最大(da)的科(ke)(ke)學(xue)(xue)家之一。 同時,另外兩(liang)位科(ke)(ke)學(xue)(xue)家M?nica Jung de Andrade與Márcio Lima在美國(guo)相關機構攻讀完(wan)博士后課程,也加盟了這項(xiang)新研究。
研究(jiu)顯示(shi),能(neng)夠成為制作人(ren)造(zao)肌肉材料(liao)的(de)最(zui)重要特征,就(jiu)是(shi)此材料(liao)有能(neng)力在儲存大量能(neng)量的(de)同時以同樣的(de)方式保持肌肉的(de)活性。
另一個重(zhong)要的指標就是(shi)這個制作材料的可逆轉性(xing)(xing)。因為研(yan)究顯示,除非(fei)一種材料在經歷幾千次儲存與(yu)釋(shi)放能量的過(guo)程(cheng)中(zhong)完全不損失其性(xing)(xing)能,否(fou)則就無法保持其強大的收縮力以保持肌肉活性(xing)(xing)。
在攻克這一(yi)難(nan)關的過程(cheng)中,科學家們(men)其實已經使用(yong)了許多材(cai)料(liao)進行(xing)人(ren)造(zao)肌(ji)肉實驗。科學家們(men)起初使用(yong)碳納米(mi)管來進行(xing)人(ren)造(zao)肌(ji)肉實驗,他(ta)們(men)將該(gai)材(cai)料(liao)加熱,并且(qie)像真正的肌(ji)肉一(yi)樣(yang)舉起重物(wu),但是許多實驗材(cai)料(liao)的實驗結果卻(que)并不理想。
Márcio Lima向記者解釋道,解開這個謎題(ti)的(de)關(guan)鍵就(jiu)(jiu)(jiu)是研究員們找到了某(mou)些纖維材(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)的(de)熱(re)膨脹系數為(wei)負(fu),這就(jiu)(jiu)(jiu)相當(dang)于(yu)在加(jia)熱(re)材(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)和(he)冷卻材(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)的(de)過程中,只(zhi)要控制好與應用(yong)好材(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)溫度的(de)變化,就(jiu)(jiu)(jiu)能夠準(zhun)確地在材(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)的(de)運動過程中保持材(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)的(de)可逆轉性。
他說道:“我(wo)們發現將纖維擰在(zai)一起(qi)形成一個彈(dan)簧或(huo)者線(xian)圈的形狀(zhuang)能夠放大使用(yong)效果。之后我(wo)們又實驗了許(xu)多(duo)更加便(bian)宜的纖維材料,也(ye)達(da)到(dao)了很好(hao)的效果,尼龍絲就(jiu)是其(qi)中一種。”
這(zhe)種材料(liao)的最(zui)大好處就是在(zai)于價格便(bian)宜,因為這(zhe)種尼(ni)龍絲(si)每(mei)斤只需花費15雷(lei)亞爾。而且在(zai)實驗(yan)中,這(zhe)種尼(ni)龍絲(si)所制(zhi)作的人造肌肉(rou),在(zai)100攝氏度溫度變(bian)化(hua)內的承(cheng)重效果,比人體肌肉(rou)的性能要強84倍之(zhi)多。
在未(wei)來(lai),這(zhe)種新型技(ji)術可能會應用(yong)(yong)于機器人制作、生物醫學工程(cheng)(例(li)(li)如(ru)制造承重性能強大(da)的(de)假肢(zhi)等(deng)等(deng)),甚(shen)至在紡織行業也可以(yi)(yi)應用(yong)(yong)。例(li)(li)如(ru),在嚴熱或(huo)寒冷的(de)天(tian)氣(qi)(qi)中,你可以(yi)(yi)打開或(huo)關(guan)閉衣(yi)服上用(yong)(yong)該尼龍絲科技(ji)制成(cheng)的(de)“氣(qi)(qi)孔”,以(yi)(yi)達到調節溫度的(de)目(mu)的(de)。
SRI小組的領導者Ron Pelrine介紹(shao)說:“在(zai)與(yu)日本簽署(shu)微型(xing)機(ji)器(qi)計劃(Japanese micro-machine program)合同之(zhi)后,斯坦福研(yan)究(jiu)(jiu)院(SRI INTERNATIONAL)從1992年開始研(yan)究(jiu)(jiu)人(ren)造(zao)肌(ji)肉(rou)。”他(ta)從前(qian)是(shi)一(yi)(yi)(yi)名物理學家,轉行(xing)做機(ji)械工程師。日本官方在(zai)尋找一(yi)(yi)(yi)種新型(xing)的微致(zhi)動器(qi)技術。幾位SRI研(yan)究(jiu)(jiu)人(ren)員開始尋找一(yi)(yi)(yi)種在(zai)力(li)學、沖程(線(xian)性位移(yi))以及應變(單位長度或單位面積的位移(yi)量(liang))等方面的性質與(yu)自(zi)然肌(ji)肉(rou)類似(si)的致(zhi)動材料。
“我們考察了一(yi)大堆有希望的活化技術,”Pelrine回憶道。然而(er),他們最終選擇了電致伸縮聚(ju)合物(wu),當時來自路特葛斯大學(Rutgers University)的Jerry Scheinbeim正在(zai)研究這種材料。這種聚(ju)合物(wu)中的碳氫分(fen)子(zi)以(yi)半晶(jing)體點陣的方(fang)式排列,而(er)這種晶(jing)陣具有類似壓電的屬(shu)性(xing)。
當(dang)處于電(dian)(dian)場中(zhong)時,所(suo)有的(de)絕緣塑料(例如聚亞(ya)安酯)將會(hui)沿(yan)電(dian)(dian)力線的(de)方向(xiang)(xiang)收縮,同時沿(yan)垂直(zhi)于電(dian)(dian)力線的(de)方向(xiang)(xiang)膨(peng)脹。這種現(xian)(xian)象與電(dian)(dian)致伸縮不同,被稱為麥克(ke)斯韋應(ying)力。Pelrine 說:“這種現(xian)(xian)象早就(jiu)為人們所(suo)熟(shu)知,但一(yi)直(zhi)被當(dang)作是(shi)一(yi)種很(hen)麻煩的(de)效應(ying)。”
他意識到,比聚(ju)亞安酯更軟(ruan)的(de)聚(ju)合物(wu)(wu)在靜電(dian)吸引(yin)作用(yong)下將更容(rong)易擠(ji)壓,因(yin)而可以提供更大(da)的(de)機械(xie)應變。通(tong)過對軟(ruan)硅樹(shu)脂進(jin)行試(shi)驗,SRI的(de)科學家很快證明其應變在10-15%之間,這(zhe)十分合意。經過進(jin)一(yi)步研究(jiu),這(zhe)個(ge)數字還可以提高到20-30%。為了區別這(zhe)種(zhong)新的(de)致動器材料(liao)(liao),硅樹(shu)脂和其他較軟(ruan)的(de)材料(liao)(liao)被命名為電(dian)絕緣(yuan)橡膠(dielectric elastomers)(也被稱為電(dian)場活化聚(ju)合物(wu)(wu)。)
在(zai)確定(ding)出幾種(zhong)有前途的(de)聚合物材料之后,在(zai)1990年代剩(sheng)余(yu)的(de)大部分時(shi)間內,該(gai)(gai)小(xiao)組將注意(yi)力集中(zhong)于研(yan)制特定(ding)設備(bei)應用的(de)具(ju)體(ti)細節。當(dang)時(shi),該(gai)(gai)SRI研(yan)究小(xiao)組新的(de)外部經費支持和研(yan)究方(fang)向(xiang)由美國國防(fang)高級研(yan)究計(ji)劃局(DARPA)和海軍研(yan)究中(zhong)心(Office of Naval Research)提供,其(qi)主管的(de)首要興趣在(zai)于將該(gai)(gai)技(ji)術用于軍事目(mu)的(de),包括小(xiao)型偵(zhen)察(cha)機器人(ren)以及輕型發電機。
由(you)于橡膠開(kai)始表現出大得多的(de)應變,工程師意(yi)識到電(dian)極(ji)也必須是可(ke)以膨(peng)脹的(de)。普通金屬(shu)電(dian)極(ji)無法伸(shen)長(chang),除非將其割(ge)裂(lie)。Pelrine提(ti)到:“起先(xian),人們(men)不用為這個問題操(cao)心(xin),因為他們(men)研(yan)究的(de)材(cai)料所提(ti)供的(de)應變只有1%左右。”最后(hou),該(gai)研(yan)究小組開(kai)發(fa)出一種基(ji)于在橡膠陣列(elastomeric matrix)中填充碳(tan)粒的(de)屈從電(dian)極(ji)。他指出:“由(you)于電(dian)極(ji)和塑料一起膨(peng)脹,它們(men)可(ke)以在整(zheng)個活(huo)動(dong)區域之間(jian)保持電(dian)場。”SRI International為該(gai)概(gai)念(nian)申(shen)請了專利,它是后(hou)來人造肌肉技術的(de)關鍵之一。
Pelrine急于向我們展(zhan)(zhan)示(shi),他(ta)(ta)拿出一(yi)(yi)個15厘米(mi)見方看上(shang)去像相框的東西,其兩面的塑料包(bao)夾(jia)(jia)由于膨脹(zhang)而緊繃著。“看,這種聚合物材料延展(zhan)(zhan)性非常好,”他(ta)(ta)說,同(tong)時(shi)用一(yi)(yi)只手(shou)指(zhi)按入(ru)其透(tou)明薄膜。“它實際上(shang)是一(yi)(yi)種雙面膠帶,一(yi)(yi)大(da)(da)卷的價格很(hen)便宜。”在中間夾(jia)(jia)片的兩面是黑(hei)色、鎳幣大(da)(da)小的電極,連著導線。
Pelrine擰開電(dian)源的(de)(de)控制旋(xuan)鈕。立(li)刻,黑色的(de)(de)圓形電(dian)極(ji)(ji)對開始膨脹,直徑增加了(le)四分之一。當他(ta)將旋(xuan)鈕擰回到原(yuan)來(lai)位置時,電(dian)極(ji)(ji)馬上(shang)又(you)收縮至(zhi)原(yuan)狀態。他(ta)咧嘴笑(xiao)了(le)笑(xiao),并(bing)且重復(fu)操作了(le)好幾次,解釋(shi)說:“根本上(shang),我們的(de)(de)設備(bei)就是電(dian)容,也就是兩塊(kuai)平行的(de)(de)充電(dian)平板,中間(jian)夾著電(dian)絕(jue)緣材料(liao)。當電(dian)源接通時,正負電(dian)荷分別(bie)在相反的(de)(de)電(dian)極(ji)(ji)上(shang)積累。電(dian)極(ji)(ji)平板互相吸(xi)引(yin)并(bing)且擠(ji)壓中間(jian)的(de)(de)絕(jue)緣聚(ju)合(he)物(wu),并(bing)且聚(ju)合(he)物(wu)的(de)(de)面積擴(kuo)大。”
盡(jin)管(guan)已經確定出幾種(zhong)有前途的(de)(de)材(cai)料,要想在實際設備中實現(xian)可接受的(de)(de)性能的(de)(de)確是(shi)一個(ge)挑戰。然而(er),該小(xiao)組(zu)在1999年取(qu)得的(de)(de)一系列突破引起了美國政府及工(gong)業界相當的(de)(de)興趣。
有人通過(guo)觀察(cha)發現,在(zai)電活化(hua)聚合物材料之(zhi)前預(yu)先拉(la)伸(shen)它(ta),將大大提(ti)高(gao)其性能。小(xiao)組的(de)另(ling)一(yi)位成員Roy Kornbluh工程師(shi)回憶說(shuo):“我們開(kai)始(shi)注意(yi)到(dao)存在(zai)一(yi)個甜區(sweet point),這時可以獲得(de)(de)最優性能。沒(mei)有人確切地知道為什么,但(dan)是(shi)預(yu)拉(la)伸(shen)聚合物可以使擊穿強(qiang)度【電極(ji)之(zhi)間電流通路(lu)(passage of current)的(de)阻力】增(zeng)加100倍(bei)之(zhi)多。”電活化(hua)應變提(ti)高(gao)的(de)幅(fu)度與(yu)之(zhi)類似。盡(jin)管原因(yin)還不是(shi)很清(qing)楚,SRI的(de)化(hua)學家(jia)裴其冰(bing)(音)認為:“預(yu)拉(la)伸(shen)可沿平面(mian)膨脹方向定位分(fen)子鏈,并且材料使得(de)(de)沿該方向更加堅硬。”為了獲得(de)(de)預(yu)拉(la)伸(shen)效果,SRI的(de)致動器設備(bei)采用了一(yi)個外部支撐(cheng)結構。
第二項(xiang)關鍵發現得(de)(de)益于研(yan)究(jiu)人(ren)員“測(ce)試(shi)我(wo)(wo)們(men)所知(zhi)道的(de)每一種(zhong)可(ke)伸展材(cai)(cai)料,我(wo)(wo)們(men)稱(cheng)之為(wei)(wei)愛迪生(sheng)方法,”Pelrine愉快(kuai)地告(gao)訴我(wo)(wo)們(men)。(為(wei)(wei)找到合(he)(he)適的(de)電(dian)燈燈絲材(cai)(cai)料,托馬斯·愛迪生(sheng)系統地試(shi)驗過各(ge)種(zhong)材(cai)(cai)質。)“在(zai)我(wo)(wo)家里(li),為(wei)(wei)了(le)不(bu)讓(rang)我(wo)(wo)那(nei)剛會走(zou)路的(de)孩子(zi)亂拿東(dong)西(xi),我(wo)(wo)們(men)用(yong)(yong)一把以(yi)聚合(he)(he)物(wu)材(cai)(cai)料做的(de)門鎖(suo)將冰箱鎖(suo)住。孩子(zi)逐漸長大(da),我(wo)(wo)們(men)不(bu)再需要鎖(suo)什(shen)么東(dong)西(xi),因此將鎖(suo)拿走(zou)。由于它(ta)是用(yong)(yong)可(ke)伸展材(cai)(cai)料制成的(de),我(wo)(wo)決定測(ce)試(shi)一下(xia)它(ta)的(de)應變屬性。令人(ren)驚訝(ya)的(de)是,它(ta)擁有(you)極(ji)佳(jia)的(de)性能。”追(zhui)溯鎖(suo)的(de)來(lai)源以(yi)及分析(xi)其(qi)組成不(bu)是什(shen)么難事,最后(hou),這(zhe)種(zhong)神秘的(de)聚合(he)(he)物(wu)“原來(lai)是聚丙烯酸(suan)橡(xiang)膠(jiao),它(ta)可(ke)以(yi)提供極(ji)大(da)的(de)應變和能量輸出,線性應變達380%之多。這(zhe)兩項(xiang)進展使得(de)(de)我(wo)(wo)們(men)能夠開始將電(dian)絕緣橡(xiang)膠(jiao)應用(yong)(yong)到現實(shi)的(de)致動器設(she)備(bei)中(zhong)。”該研(yan)究(jiu)人(ren)員介紹說。
天然橡膠材料
SRI小組的(de)(de)通用(yong)(yong)研(yan)究方法比較靈活,包(bao)括(kuo)許(xu)多種設(she)計、甚(shen)(shen)至(zhi)包(bao)括(kuo)不同的(de)(de)聚合物(wu)。正如裴其冰所(suo)說(shuo):“這(zhe)是一臺設(she)備,而(er)不是一件材(cai)料(liao)。”據Pelrine稱,該小組能夠用(yong)(yong)不同的(de)(de)聚合物(wu)產(chan)(chan)生(sheng)活化效應,包(bao)括(kuo)丙(bing)烯酸樹脂和硅(gui)樹脂。甚(shen)(shen)至(zhi)天然(ran)橡膠(jiao)也能產(chan)(chan)生(sheng)一定效應。例如,在外部空(kong)(kong)間的(de)(de)極端溫度環(huan)境(jing)中,人造肌(ji)肉最(zui)好(hao)采用(yong)(yong)有機硅(gui)塑料(liao),已(yi)經證明(ming)這(zhe)種材(cai)料(liao)可(ke)以在零下(xia)100攝氏(shi)度的(de)(de)真(zhen)空(kong)(kong)環(huan)境(jing)下(xia)工(gong)作。對于要求(qiu)更大輸出力的(de)(de)應用(yong)(yong),可(ke)能需要更多的(de)(de)聚合物(wu)材(cai)料(liao)或者將多臺設(she)備串聯(lian)或并聯(lian)。
SRI成員(yuan)von Guggenberg 估計:“由于可以(yi)買(mai)到電絕(jue)緣橡膠(jiao)的現(xian)貨(huo),而且我們(men)在(zai)每臺設(she)備至多只用到幾平方英尺的材(cai)料,因此致動器將會非常便宜,尤(you)其是對于批量生產。”
激活電(dian)絕緣橡膠(jiao)致動器的(de)電(dian)壓(ya)(ya)相對(dui)較(jiao)高(gao),通常為1到5千伏,因此(ci)該設(she)備(bei)可(ke)以(yi)(yi)在非(fei)常低的(de)電(dian)流下運轉(一般而言,高(gao)電(dian)壓(ya)(ya)意味著低電(dian)流)。致動器還可(ke)以(yi)(yi)使用較(jiao)細、不(bu)太貴的(de)導線,并且可(ke)以(yi)(yi)保持(chi)相當冷卻。Pelrine說:“在到達電(dian)場(chang)中止以(yi)(yi)及電(dian)流流經(電(dian)極(ji)之間的(de))間隔的(de)臨界點時,更高(gao)的(de)電(dian)壓(ya)(ya)將產生更大的(de)膨脹和(he)應(ying)力。”
更大的(de)難題是高(gao)電(dian)壓要用于移(yi)動設(she)備,因為(wei)電(dian)池通(tong)常是低電(dian)壓的(de),因而(er)還需要附加(jia)的(de)變壓線圈。而(er)且,在(zai)美國賓夕法尼亞州州立大學(xue),張啟明(音(yin))和他(ta)的(de)研究(jiu)小組已經(jing)在(zai)嘗試通(tong)過將某(mou)些電(dian)致伸縮(suo)聚合(he)物(wu)與其(qi)他(ta)物(wu)質結合(he)生成(cheng)合(he)成(cheng)物(wu),來降低它們的(de)激活電(dian)壓。
當被問(wen)及電絕緣橡膠(jiao)的(de)(de)耐久性(xing)時,von Guggenberg承認還需要(yao)(yao)更(geng)多的(de)(de)研(yan)(yan)究(jiu),并且證實了一個“合理跡象”,即他們要(yao)(yao)繼(ji)續工作足夠長時間以實現商業化用途,“例如,我們為一位客戶(hu)運(yun)行的(de)(de)設(she)備可(ke)產(chan)生5-10%的(de)(de)應(ying)變,循環1000萬(wan)次。”另一臺(tai)設(she)備可(ke)產(chan)生50%的(de)(de)面積應(ying)變,循環100萬(wan)次。盡管人(ren)造(zao)肌(ji)肉(rou)設(she)備比相應(ying)的(de)(de)電動馬達要(yao)(yao)輕得多(聚(ju)合物(wu)本身的(de)(de)密度與水差不多),SRI仍在通過減(jian)少必(bi)要(yao)(yao)的(de)(de)外部(bu)預應(ying)變設(she)備,來努力(li)減(jian)輕其(qi)質量(liang)。 2004年5月27號(hao)日本橫濱國立大學渡邊正義教授(shou)領導的(de)(de)研(yan)(yan)究(jiu)小組開發(fa)出(chu)一種新型(xing)(xing)人(ren)造(zao)肌(ji)肉(rou),用一節干電池即能驅(qu)動,用于微型(xing)(xing)機(ji)器(qi)和(he)小型(xing)(xing)機(ji)器(qi)人(ren)的(de)(de)關節部(bu)位十分合適。
這(zhe)種(zhong)(zhong)人造(zao)肌肉形狀像口香(xiang)糖,長(chang)約(yue)5厘米,寬1厘米,厚幾百(bai)微米。它(ta)由一種(zhong)(zhong)隨電(dian)壓變化而伸縮的(de)高分(fen)子材料(liao)與一種(zhong)(zhong)不易揮發的(de)離子液體混合制成,可以(yi)在(zai)正常(chang)環境下長(chang)期使(shi)用(yong)。如果在(zai)微型機器的(de)關(guan)節和(he)驅(qu)動部位裝上這(zhe)種(zhong)(zhong)人造(zao)肌肉,它(ta)可像人的(de)關(guan)節一樣發揮作用(yong)。