人工全身肌肉重大成果登上 Science：多国科学家联合完成全新升级驱动器机理

2021 年，机器人早已「修炼成仙」了，当众争吵、组队性感热舞已不再是愚蠢的人类专享。

殊不知在很多人内心，机器人還是肌肉僵硬、机械设备乃至冰凉的。

即使如此，技术性日新月异，软性机器人迅速发展趋势，大家对机器人的偏见也该被摆脱了。

专家设计方案出的软体机器人在外观设计上可以说五花八门，例如：

由电磁场驱动器的软体机器人，看起来好像花朵一样。

会飞奔、能游水、能竞走物的 “小猎豹”。

可用以军事演习的迅速隧道施工发掘机器人。

实际上，软体机器人的设计方案通常与一种智能材料相关——人工全身肌肉。近期在这里一行业，我国科学家协同美、韩、澳等多个国家专家学者作出了新突破！

对比传统式人工全身肌肉，本次科学研究工作人员设计方案出的人工全身肌肉具备无毒性、驱动器頻率高（10 Hz）、驱动器工作电压低（1 V）、高能量密度（0.73~3.5 J/g）、高驱动器应变力（3.85~18.6 %）、高效率能量相对密度（达到 8.17 W/g）的特点。

纳米碳管棉纱为什么东西？

2021 年 1 月 29 日，名为 Unipolar-Stroke, Electroosmotic-Pump Carbon Nanotube Yarn Muscles（单级四冲程、电渗泵纳米碳管棉纱全身肌肉）的发表论文于知名学术刊物《科学》（Science）。

毕业论文源于哈工大（高分子材料与构造研究室）、江苏大学（智能化软性机电工程研究室）、常州大学（江苏太阳能发电科学研究与工程项目科技成果转化管理中心）、英国得克萨斯州高校波士顿校区、伊利诺伊大学厄巴纳 – 香槟分校、韩汉阳大学、首尔大学、加拿大卧龙岗大学、迪肯大学等精英团队。

毕业论文题目中有一个看上去有点深奥的词「纳米碳管棉纱」（Carbon nanotube yarns），那麼在谈实际的科学研究关键点以前，大家先来处理一个难题：纳米碳管棉纱为什么东西？

纳米碳管棉纱源于纳米碳管——一种具备独特构造的一维量子科技原材料，轴向规格为纳米技术数量级、轴径规格为μm数量级、管道两边基础都是有密封。外观设计上，它是由呈六边形排序的氧原子组成的多层同轴输出圆钢管，层与层中间的固定不动间距约 0.34 nm，而圆钢管的直徑一般为 2~20 nm。

据统计，纳米碳管做为一维纳米复合材料，重量较轻、拥有 极致的卡扣结构，因此拥有 与众不同的结构力学、电力学、有机化学特性。

根据那样的独特存有，纳米碳管棉纱也应时而生。

依据字面意思即得知，它是根据拉申和松驰、由碳基纳米管化学纤维做成的密不可分绞线的棉纱。

有别于一般实际意义上的棉纱，纳米碳管棉纱实际上是一种超导体，还可当充电电池应用——早在 2011 年，得克萨斯州高校就与美国企业进行协作，着眼于将纳米碳管棉纱走向市场。

2017 年，得克萨斯州高校波士顿校区又研发出一种名叫 Twistron 的纳米碳管棉纱。

那时候该科学研究精英团队的郑洁博士研究生曾在访谈中表明：

这种棉纱实质上是一种超级电容器，但不用另加开关电源电池充电。由于纳米碳管与电解质溶液的有机化学电势差不一样，当棉纱渗入电解质溶液时，一部分正电荷便会置入在其中。棉纱被拉申时，容积减少，使正电荷互相挨近，正电荷造成的工作电压提高，进而得到电磁能。

2014-2016 年，一位名叫楚合涛的博士研究生在哈工大和得克萨斯州高校波士顿校区接纳联培，也恰好是自那时候起，哈工大冷劲松专家教授研究组与得克萨斯州高校波士顿校区 Ray H. Baughman 专家教授研究组开始了相关纳米碳管棉纱人工全身肌肉的科学研究。

本次，已经是博士研究生大学毕业生的楚合涛恰好是毕业论文的共同一作。

人工全身肌肉特性完成新突破

那麼，纳米碳管棉纱和人工全身肌肉中间，又有如何的联络？

毕业论文详细介绍，渗入正离子（无论正负极）会危害着长短、直徑的转变 ，因而纳米碳管棉纱可作为光电催化致动器。

据了解，纳米碳管棉纱人工全身肌肉是一种典型性的智能材料，关键根据热、光电催化二种方法完成驱动器，而二种驱动器方法存有着区别。

依据热力学定律，热驱动器受着卡诺循环高效率（Circulation efficiency in Kano，即有一个高溫热原溫度 T1 和一个超低温热原溫度 T2 的简易循环系统）的牵制——相比而言，光电催化驱动器的能量转换高效率高些，具备更宽阔的应用前景。

根据这一点，科学研究精英团队搭建了一种全固全身肌肉（all-solid-state muscle）。根据向棉纱中渗入感应起电的高聚物，化学纤维逐渐一部分澎涨，伴随着正离子的损害长短会提升，那样也提升了全身肌肉的总四冲程。

哈工大官方网表明，科学研究工作人员初次发觉根据聚电解质溶液功能性的对策，可完成人工全身肌肉智能材料的 “双极”（Bipolar）驱动器变化为 “单级”（Unipolar）驱动器（如下图所显示），另外发觉了人工全身肌肉随电容器减少、驱动器特性提高的异常现象（Scan Rate Enhanced Stroke, SRES）。

实际来讲，科学研究工作人员获得了以下实际效果：

完成了单一正离子置入、嵌出的 “单级”效用，解决了 “双极”效用反方向正离子的置入、嵌出造成的特性减少难题，提升了作功高效率与比能量等特性；

人工全身肌肉随扫描仪速度提升，驱动器特性提升，解决了传统式人工全身肌肉驱动器特性的电容器依赖感难题。

哈工大觉得：

这一关键提升解决了人工全身肌肉驱动器特性的电容器依赖感难题，为事后设计方案具备无毒性、低驱动器工作电压的性能卓越控制器出示新的理论基础。

值得一提的是，这一提升在室内空间进行构造、仿生技术扑翼四轴飞行器、可形变四轴飞行器、水中机器人、软性机器人、可配戴外骨骼、诊疗机器人等行业具备极大的运用发展潜力。

有关创作者

早就在 20 新世纪 90 时代初，哈工大高分子材料与构造研究室就已建立了智能材料与构造的研究内容。

事实上哈工大在这里一行业的探寻，离不了一个姓名——冷劲松。

博士毕业于哈工大高分子材料技术专业的冷劲松专家教授自 2004 年起出任着哈工大航空航天学校高分子材料与构造研究室专家教授、博士生导师的职位。

1992 年起，冷劲松专家教授就逐渐进行智能材料系统软件和构造的科学研究，关键研究内容包含智能材料系统软件和构造系统软件、光电传感器、构造身心健康监管、高分子材料总体设计和生产工艺、可变性翼四轴飞行器、构造震动积极操纵、光纤通讯和微波加热光电子器件、微机电系统这些。

此外，冷劲松专家教授也在 International Journal of Smart & Nano Materials 出任小编，在 Smart Materials & Structures 和 Journal of Intelligent Material Systems and Structures 等国际性杂志期刊出任副主编。2006 年当选国家教育部新时代高层次人才方案，2007 年当选长江学者长聘教授，2018 年入选欧州研究院物理学与工程项目学系外籍院士（Members of the Academia Europaea）。

值得一提的是，本次毕业论文的通讯作者之一恰好是冷劲松专家教授。

2020 年 3 月 4 日，冷劲松专家教授精英团队与英国马里兰大学 Norman M. Wereley 专家教授精英团队的一同科研成果发布于国际性知名刊物 Soft Robotics ，展现了一种受象鼻启迪的、在可屈伸 / 收拢的气动式人工全身肌肉的基本上设计方案的新式弯折螺旋式可屈伸 / 收拢气动式人工全身肌肉（HE-PAMs/HC-PAMs）。