人(ren)造(zao)(zao)(zao)(zao)肌肉(rou)又叫電(dian)活性(xing)聚合物(wu)(wu),是一種(zhong)(zhong)新型(xing)(xing)智能(neng)(neng)高分子材(cai)料(liao),它能(neng)(neng)夠在外加電(dian)場下,通過(guo)材(cai)料(liao)內部結構的(de)改變而伸縮、彎曲(qu)、束緊或膨脹,和生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)肌肉(rou)十(shi)分相(xiang)似。醫(yi)學(xue)上,人(ren)造(zao)(zao)(zao)(zao)器(qi)(qi)官(guan)是指能(neng)(neng)植(zhi)入人(ren)體(ti)或能(neng)(neng)與生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)組織(zhi)或生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)流體(ti)相(xiang)接觸的(de)材(cai)料(liao),有天然器(qi)(qi)官(guan)組織(zhi)的(de)功能(neng)(neng)或天然器(qi)(qi)官(guan)部件功能(neng)(neng)的(de)材(cai)料(liao)。根(gen)據制造(zao)(zao)(zao)(zao)器(qi)(qi)官(guan)使用的(de)材(cai)料(liao)以及其功能(neng)(neng)科學(xue)將人(ren)造(zao)(zao)(zao)(zao)器(qi)(qi)官(guan)分為三種(zhong)(zhong):機械性(xing)人(ren)造(zao)(zao)(zao)(zao)器(qi)(qi)官(guan)、半(ban)機械性(xing)半(ban)生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)性(xing)人(ren)造(zao)(zao)(zao)(zao)器(qi)(qi)官(guan)、生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)性(xing)人(ren)造(zao)(zao)(zao)(zao)器(qi)(qi)官(guan)。其中,前(qian)兩類型(xing)(xing)種(zhong)(zhong)的(de)人(ren)造(zao)(zao)(zao)(zao)器(qi)(qi)官(guan)移植(zhi)后會讓(rang)患者產生(sheng)(sheng)排斥(chi)反應,對受體(ti)來說,適(shi)無副作用的(de)是最后一種(zhong)(zhong)也就是生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)性(xing)人(ren)造(zao)(zao)(zao)(zao)器(qi)(qi)官(guan)。
人造(zao)肌肉狀材料是根據生(sheng)物學(xue)原理,由3種氨(an)基酸(suan)(suan)(纈(xie)氨(an)酸(suan)(suan)、脯氨(an)酸(suan)(suan)和甘氨(an)酸(suan)(suan))按一定順序(xu)排(pai)列而構成的(de),它類似(si)于人的(de)肌肉纖(xian)維,具有彈(dan)性,且能隨環境溫度和化學(xue)成分(如pH值)的(de)變(bian)化而伸縮。由于它能模擬活(huo)體的(de)生(sheng)物過(guo)程(cheng),于是,人們把(ba)這種材料稱為(wei)生(sheng)物聚合物。
來自亞利(li)桑那(nei)州(zhou)州(zhou)立大學(xue)(xue)的(de)研究員(yuan)西宮川認為,人(ren)(ren)類(lei)的(de)肌(ji)肉是人(ren)(ren)四肢(zhi)活動的(de)馬(ma)達,只(zhi)有(you)生產出超級的(de)人(ren)(ren)造(zao)肌(ji)肉和裝置,才能(neng)讓殘障人(ren)(ren)士的(de)假(jia)肢(zhi)恢(hui)復正常(chang)的(de)功能(neng),這種新(xin)式的(de)人(ren)(ren)造(zao)肌(ji)肉將有(you)可能(neng)治療神經(jing)肌(ji)肉型疾病帕金森氏癥。為此,科學(xue)(xue)家們利(li)用生物仿生學(xue)(xue),通過對(dui)蟾蜍和變色龍的(de)肌(ji)肉的(de)研究,打造(zao)出了這種神奇(qi)的(de)“生物馬(ma)達”。
科(ke)學(xue)(xue)家發現(xian),一個(ge)蟾(chan)蜍的(de)(de)(de)下巴(ba)肌肉(rou)能夠產(chan)生(sheng)(sheng)大于它自(zi)身體重700倍的(de)(de)(de)力(li)量,而變色(se)龍(long)(long)捕(bu)食的(de)(de)(de)時候(hou),舌(she)頭(tou)肌肉(rou)收縮(suo)(suo)時所(suo)產(chan)生(sheng)(sheng)的(de)(de)(de)力(li)量也(ye)是非常驚人的(de)(de)(de)。而目(mu)前人類(lei)所(suo)制造的(de)(de)(de)最好的(de)(de)(de)機械設備(動力(li)馬達)也(ye)只能產(chan)生(sheng)(sheng)蟾(chan)蜍下巴(ba)肌肉(rou)的(de)(de)(de)三分(fen)之一的(de)(de)(de)力(li)量。對(dui)于這種神奇的(de)(de)(de)現(xian)象(xiang),科(ke)學(xue)(xue)家們(men)通過對(dui)蟾(chan)蜍和變色(se)龍(long)(long)的(de)(de)(de)解剖尋找相(xiang)關的(de)(de)(de)信息。他們(men)認(ren)為(wei)蟾(chan)蜍下巴(ba)的(de)(de)(de)特殊構(gou)造是造成(cheng)其肌肉(rou)產(chan)生(sheng)(sheng)強(qiang)大力(li)量的(de)(de)(de)原因之一,這種構(gou)造可(ke)以在最短的(de)(de)(de)時間內貯存力(li)量,適(shi)應肌肉(rou)所(suo)產(chan)生(sheng)(sheng)的(de)(de)(de)張(zhang)力(li),在蟾(chan)蜍大腦(nao)的(de)(de)(de)操縱下實現(xian)肌肉(rou)的(de)(de)(de)迅(xun)速收縮(suo)(suo)。
亞利桑那州(zhou)(zhou)州(zhou)(zhou)立大學(xue)(xue)的(de)(de)科學(xue)(xue)家中們(men)從蟾(chan)(chan)蜍(chu)的(de)(de)肌(ji)(ji)(ji)肉(rou)(rou)構造(zao)上獲得靈感,設計(ji)出了(le)一種“機(ji)器肌(ji)(ji)(ji)腱”,這種裝置可(ke)以模仿(fang)蟾(chan)(chan)蜍(chu)的(de)(de)下(xia)巴肌(ji)(ji)(ji)肉(rou)(rou)迅速收縮,產生(sheng)強(qiang)大的(de)(de)能(neng)(neng)量。這種機(ji)器肌(ji)(ji)(ji)腱就是(shi)(shi)(shi)“生(sheng)物(wu)(wu)(wu)馬達(da)”,也就是(shi)(shi)(shi)人(ren)(ren)(ren)造(zao)肌(ji)(ji)(ji)肉(rou)(rou)。再配合獨有(you)的(de)(de)高(gao)端協調(diao)輔助(zhu)(zhu)設備,可(ke)以使假肢(zhi)等設備和(he)(he)人(ren)(ren)(ren)的(de)(de)大腦(nao)信號協調(diao)一致(zhi),從而提高(gao)假肢(zhi)的(de)(de)運動功能(neng)(neng),實(shi)現殘疾人(ren)(ren)(ren)的(de)(de)正(zheng)常生(sheng)活。但(dan)是(shi)(shi)(shi)科學(xue)(xue)家認為(wei),這種模仿(fang)蟾(chan)(chan)蜍(chu)制造(zao)出的(de)(de)人(ren)(ren)(ren)造(zao)肌(ji)(ji)(ji)肉(rou)(rou)最(zui)關鍵的(de)(de)部(bu)分還(huan)是(shi)(shi)(shi)高(gao)端協調(diao)輔助(zhu)(zhu)設備,只(zhi)有(you)通(tong)過大腦(nao)的(de)(de)操縱(zong)實(shi)現功能(neng)(neng)才是(shi)(shi)(shi)生(sheng)物(wu)(wu)(wu)馬達(da)最(zui)關鍵的(de)(de)部(bu)分,這個關鍵部(bu)分還(huan)需要繼續的(de)(de)研(yan)究(jiu)探索。但(dan)是(shi)(shi)(shi)科學(xue)(xue)家表示(shi),這種“生(sheng)物(wu)(wu)(wu)馬達(da)”人(ren)(ren)(ren)造(zao)肌(ji)(ji)(ji)肉(rou)(rou)將(jiang)會促進神經肌(ji)(ji)(ji)肉(rou)(rou)學(xue)(xue)的(de)(de)研(yan)究(jiu)和(he)(he)發(fa)展,有(you)助(zhu)(zhu)于對(dui)人(ren)(ren)(ren)類(lei)神經肌(ji)(ji)(ji)肉(rou)(rou)學(xue)(xue)的(de)(de)擴展性研(yan)究(jiu),將(jiang)生(sheng)物(wu)(wu)(wu)仿(fang)生(sheng)學(xue)(xue)和(he)(he)生(sheng)物(wu)(wu)(wu)動力學(xue)(xue)有(you)機(ji)結合起來,這種神奇(qi)的(de)(de)“生(sheng)物(wu)(wu)(wu)馬達(da)”堪稱神來之筆,不僅可(ke)以幫助(zhu)(zhu)殘疾人(ren)(ren)(ren)的(de)(de)生(sheng)活,還(huan)推動了(le)科學(xue)(xue)家對(dui)于生(sheng)物(wu)(wu)(wu)仿(fang)生(sheng)技(ji)術的(de)(de)發(fa)展。
科學家(jia)對人(ren)造肌肉(rou)(rou)的(de)研究(jiu)已經進行(xing)了(le)幾(ji)十(shi)年,人(ren)造肌肉(rou)(rou)所用的(de)材料種類(lei)也很多(duo),有塑料、類(lei)似橡膠的(de)聚合物(wu)、凝膠以及金屬,但(dan)是這些材料做(zuo)成的(de)人(ren)造肌肉(rou)(rou)面臨很多(duo)問題,比(bi)如需要消耗大量能(neng)量并且(qie)可(ke)能(neng)經常失(shi)效而無法像真正的(de)肌肉(rou)(rou)那樣能(neng)自我修(xiu)補。
活動自由(you)工作更持久(jiu)
現行的(de)機器人(ren)或機械(xie)手臂受到能(neng)(neng)量限制,只能(neng)(neng)在電源附(fu)近(jin)活動(dong)。因(yin)此,美國國防(fang)部高級(ji)(ji)計劃研(yan)究(jiu)署一(yi)(yi)直希望能(neng)(neng)研(yan)發出一(yi)(yi)種(zhong)能(neng)(neng)像人(ren)類一(yi)(yi)樣自由(you)活動(dong)、而(er)且(qie)自身可以(yi)(yi)供應能(neng)(neng)量的(de)新型裝置,于是(shi)便有了(le)這(zhe)種(zhong)超級(ji)(ji)仿(fang)生(sheng)肌肉(rou)的(de)模型。據(ju)研(yan)究(jiu)人(ren)員介(jie)紹,這(zhe)種(zhong)仿(fang)生(sheng)肌肉(rou)的(de)最(zui)大(da)好處就是(shi)能(neng)(neng)量由(you)燃料供應,以(yi)(yi)彌補電池功能(neng)(neng)的(de)諸多不(bu)(bu)足。仿(fang)生(sheng)肌肉(rou)可以(yi)(yi)自由(you)活動(dong),而(er)且(qie)能(neng)(neng)工(gong)作更長時間,不(bu)(bu)會因(yin)電池短命而(er)動(dong)不(bu)(bu)了(le),也不(bu)(bu)必時刻綁個電源在身邊。
按照(zhao)研(yan)究(jiu)人(ren)員(yuan)的(de)(de)設想(xiang),仿生(sheng)肌肉(rou)研(yan)制成(cheng)功(gong)后(hou),將能完成(cheng)人(ren)類(lei)(lei)和機器人(ren)各自無法獨立(li)做到的(de)(de)事情。它(ta)能像人(ren)類(lei)(lei)一樣到處行動,能像自然(ran)手(shou)臂一樣靈活(huo)運用(yong),還能“綁(bang)”在“外骨(gu)骼”上,使消防員(yuan)、士兵和宇(yu)航員(yuan)等特殊行業(ye)的(de)(de)人(ren)擁(yong)有(you)超人(ren)般的(de)(de)力(li)量。有(you)了它(ta),也(ye)許消防員(yuan)就可以只(zhi)手(shou)撐起倒塌的(de)(de)建筑材(cai)料,而戰場上的(de)(de)士兵也(ye)可以變成(cheng)不知疲倦(juan)的(de)(de)“超人(ren)”。
比常人肌肉強100倍
為(wei)了實現這些功能,美韓兩(liang)國科學家聯手開發了兩(liang)種仿(fang)生肌肉,以(yi)適應不(bu)同需要。
一種(zhong)是(shi)把化學能(neng)轉化成(cheng)電(dian)(dian)能(neng)。它用(yong)含(han)有催化劑(ji)的碳納米(mi)管彎曲搭建出肌肉塊、“燃料(liao)細胞(bao)”電(dian)(dian)極和超(chao)級電(dian)(dian)容器電(dian)(dian)極,它們會(hui)在(zai)充滿氫的環境(jing)中(zhong),源源不(bu)斷地產生電(dian)(dian)源。
另一種是把化(hua)(hua)學能(neng)(neng)轉化(hua)(hua)成熱能(neng)(neng)。它(ta)利用(yong)氫和乙醇反應(ying)提供能(neng)(neng)量,配(pei)合(he)特(te)制(zhi)的(de)記憶金屬絲(si)。例如(ru),當溫度降低時,金屬絲(si)就會收縮,催化(hua)(hua)劑減(jian)少作用(yong),人造(zao)肌肉(rou)就會放(fang)松收縮。這種方法打(da)造(zao)出來(lai)的(de)人造(zao)肌肉(rou)力量最大,舉力是正常(chang)骨骼肌肉(rou)的(de)100倍以上。
有循環系統也有神經
不過目前看來,這兩種(zhong)肌肉(rou)(rou)都沒有(you)一(yi)點肌肉(rou)(rou)的(de)樣(yang)子,它們只是一(yi)堆電線、懸(xuan)臂和玻璃(li)瓶。惟一(yi)能(neng)(neng)夠(gou)區(qu)別于機械臂的(de)特(te)點就(jiu)是它們能(neng)(neng)夠(gou)像生物一(yi)樣(yang)“呼吸(xi)”:吸(xi)入氧氣(qi),釋放乙醇和氫(qing),提供(gong)能(neng)(neng)量。
這種(zhong)情況完全可(ke)能。加拿大(da)學(xue)者指出(chu)(chu)(chu):“事實上,人(ren)造肌肉(rou)已成(cheng)功復(fu)制出(chu)(chu)(chu)了(le)很多生物(wu)特點(dian)。比如說,它有循環系統(tong),氧(yang)和燃料可(ke)以通過(guo)循環系統(tong)輸送,為(wei)肌肉(rou)本(ben)身提(ti)供(gong)化學(xue)反應的場所,然后做出(chu)(chu)(chu)機械動作;它還(huan)(huan)有神經,由特殊電(dian)路組成(cheng),能夠做出(chu)(chu)(chu)反應并(bing)控制自(zi)己(ji)的行為(wei);它還(huan)(huan)能存儲能量,并(bing)像人(ren)類的肌肉(rou)一樣,直接對接觸做出(chu)(chu)(chu)判斷反應。”
人造(zao)肌(ji)(ji)肉(rou)(rou)伸(shen)縮性已能(neng)(neng)(neng)和人的(de)(de)(de)肌(ji)(ji)肉(rou)(rou)相(xiang)媲美(mei),材料自(zi)身性能(neng)(neng)(neng)決定,無需馬達、齒輪等復雜(za)裝置,體積小、重(zhong)量(liang)輕。研究人員稱研發的(de)(de)(de)兩(liang)種人造(zao)肌(ji)(ji)肉(rou)(rou)性能(neng)(neng)(neng)均非常(chang)突出,同時(shi)具備燃料電(dian)(dian)池和肌(ji)(ji)肉(rou)(rou)的(de)(de)(de)功能(neng)(neng)(neng)。其中(zhong)一采用了含催化(hua)劑的(de)(de)(de)碳納米管電(dian)(dian)極(ji)(ji),可作(zuo)為(wei)(wei)燃料電(dian)(dian)池的(de)(de)(de)電(dian)(dian)極(ji)(ji)將(jiang)(jiang)化(hua)學能(neng)(neng)(neng)轉(zhuan)化(hua)為(wei)(wei)電(dian)(dian)能(neng)(neng)(neng),級(ji)電(dian)(dian)容(rong)器的(de)(de)(de)電(dian)(dian)極(ji)(ji)來儲存電(dian)(dian)能(neng)(neng)(neng),還(huan)可作(zuo)肌(ji)(ji)肉(rou)(rou)電(dian)(dian)極(ji)(ji)將(jiang)(jiang)電(dian)(dian)能(neng)(neng)(neng)再轉(zhuan)化(hua)為(wei)(wei)機械能(neng)(neng)(neng)。另外一種是(shi)目前最強健的(de)(de)(de)肌(ji)(ji)肉(rou)(rou),是(shi)通過(guo)混(hun)合(he)燃料和空(kong)氣中(zhong)的(de)(de)(de)氧氣發生(sheng)催化(hua)反應,將(jiang)(jiang)化(hua)學能(neng)(neng)(neng)能(neng)(neng)(neng),升高的(de)(de)(de)溫(wen)度(du)可使制造(zao)肌(ji)(ji)肉(rou)(rou)的(de)(de)(de)具有(you)形(xing)狀(zhuang)記(ji)憶。
功能的金(jin)屬(shu)材料用力(li)收縮(suo),冷(leng)卻后肌(ji)肉脹放松。由于這種燃料電池肌(ji)肉所使用的外層涂有納(na)米顆(ke)粒催化(hua)劑的形狀記(ji)憶金(jin)在(zai)市場上買到(dao),這使得它尤(you)其(qi)容易在(zai)自動(dong)裝置中得到(dao)應用。
這(zhe)次(ci)新(xin)研(yan)制成功的(de)人(ren)造(zao)肌(ji)肉(rou)則解(jie)決(jue)了(le)(le)(le)這(zhe)些(xie)問(wen)題(ti)(ti)(ti)。研(yan)究人(ren)員(yuan)使用(yong)更具有(you)彈性(xing)且已經被(bei)廣泛應用(yong)的(de)碳納米(mi)管(carbonnanotubes)取代其(qi)(qi)它(ta)金(jin)屬(shu)薄膜來充當(dang)電(dian)極(ji),這(zhe)樣就避免了(le)(le)(le)因(yin)重復使用(yong)導致金(jin)屬(shu)膜失效而出現的(de)供電(dian)問(wen)題(ti)(ti)(ti)。另(ling)外(wai),如果碳納米(mi)管某一部分出現問(wen)題(ti)(ti)(ti),它(ta)周(zhou)圍剩(sheng)下的(de)區(qu)域就會(hui)將其(qi)(qi)自我封(feng)閉(bi)起來,使其(qi)(qi)不(bu)會(hui)導電(dian),這(zhe)樣就防止了(le)(le)(le)損(sun)壞(huai)影響(xiang)到其(qi)(qi)它(ta)區(qu)域。佩(pei)·齊平說,“我們對這(zhe)個新(xin)裝置已經多次(ci)進行了(le)(le)(le)類(lei)似的(de)實驗,包括用(yong)大頭針將人(ren)造(zao)肌(ji)肉(rou)刺(ci)破(po),結果證(zheng)明它(ta)并沒有(you)癱瘓(huan),還能正(zheng)常工作”。
更(geng)神奇的是,這種能(neng)(neng)自我修復的人造肌肉(rou)還能(neng)(neng)發(fa)電(dian)和儲存(cun)(cun)電(dian)能(neng)(neng)。當(dang)此人造肌肉(rou)在膨脹后收縮時,它自身碳納米(mi)管的結(jie)構會(hui)進(jin)行重新(xin)排列,這是它就會(hui)產生一股(gu)小(xiao)小(xiao)的電(dian)流(liu)。并且這股(gu)電(dian)流(liu)是可以(yi)儲存(cun)(cun)并加以(yi)利用的,例如給下(xia)一次肌肉(rou)運動擴張提供能(neng)(neng)量,或者(zhe)貯存(cun)(cun)在電(dian)池里給類(lei)似于iPod的移動設備充電(dian)。“它可以(yi)將你輸(shu)送給它的近70%的能(neng)(neng)量保存(cun)(cun)下(xia)來,”
值得一提的(de)(de)是,人(ren)造肌肉(rou)(rou)的(de)(de)服(fu)務對象不僅(jin)僅(jin)是人(ren)類本(ben)身。研究者介紹,人(ren)造肌肉(rou)(rou)還能成為機器(qi)人(ren)、飛機、海洋(yang)艦隊等的(de)(de)幫(bang)手。
由于乙醇產(chan)生的(de)能量系數(shu)比(bi)電池等(deng)常規能源高出30%,因此,人(ren)造肌肉可(ke)以安裝在(zai)機器人(ren)身上(shang)充當“電池”。還可(ke)以用在(zai)假(jia)肢(zhi)(zhi)上(shang),給假(jia)肢(zhi)(zhi)新的(de)力量。
此外(wai)(wai),人(ren)造(zao)(zao)(zao)肌(ji)肉(rou)(rou)還可以當(dang)作飛(fei)機和艦艇的“外(wai)(wai)衣”。人(ren)造(zao)(zao)(zao)肌(ji)肉(rou)(rou)是由(you)碳納米(mi)管制(zhi)造(zao)(zao)(zao)而成,“披”在運輸工具外(wai)(wai)面(mian),可以使它們(men)運行起來阻力更(geng)小(xiao)、更(geng)順(shun)利(li)。將來有一(yi)天,人(ren)造(zao)(zao)(zao)肌(ji)肉(rou)(rou)甚至能(neng)夠替代金(jin)屬制(zhi)的心(xin)臟(zang)起搏(bo)器,打造(zao)(zao)(zao)和人(ren)類身體更(geng)親近的新(xin)一(yi)代“人(ren)造(zao)(zao)(zao)心(xin)臟(zang)”。
超強人造肌肉
美國和(he)韓(han)國研(yan)究者聯手研(yan)究出(chu)一種超級仿生肌肉。這(zhe)種肌肉不僅力量(liang)大得驚人(ren),而且從來不會疲(pi)憊(bei)。這(zhe)一發(fa)明可能最終用于(yu)消防隊員(yuan)、宇(yu)航員(yuan)或戰士,為各條戰線(xian)打造力大無窮的“超人(ren)”隊伍。
新(xin)的(de)(de)人工肌肉可以模(mo)仿肌肉收縮(suo)產生(sheng)力(li)量。將石蠟嵌入經(jing)過(guo)(guo)編織形成一(yi)種(zhong)特(te)(te)殊結構(gou)的(de)(de)碳納米管纖維(wei)中,通過(guo)(guo)直接加熱(re)、電加熱(re),或(huo)者使用一(yi)道閃光(guang),石蠟就會(hui)(hui)發(fa)生(sheng)體積膨脹(zhang),使整(zheng)個“肌肉”膨脹(zhang)。但由于碳納米管纖維(wei)特(te)(te)殊的(de)(de)結構(gou),“肌肉”的(de)(de)長度會(hui)(hui)同時發(fa)生(sheng)收縮(suo),就產生(sheng)了(le)力(li)量。
隨著通電和斷電,肌肉絲扭(niu)曲和恢(hui)復所(suo)產生的(de)(de)扭(niu)力(li)足以為微型彈射器提供動(dong)力(li),在實驗室工作臺上發(fa)射金屬箔片。研究人員決定建造一(yi)個彈射器來展示(shi)此項(xiang)新(xin)發(fa)明(ming)的(de)(de)奧妙。
這(zhe)種“肌(ji)肉(rou)”的舉(ju)重(zhong)能力(li)是同等尺寸(cun)的天(tian)然肌(ji)肉(rou)的200倍,如(ru)果按(an)重(zhong)量相比,產生的扭(niu)力(li)高于大型電動發(fa)動機。但人工(gong)肌(ji)肉(rou)還不能完全吊起一架鋼琴(qin),因(yin)為當前可行的生產技(ji)術限制了絲的重(zhong)量。
壓電材料
自從(cong)(cong)1990年(nian)代中(zhong)期以來,Bar-Cohen一直為經常變化(hua)的(de)(de)國際EAP研(yan)究人(ren)(ren)員(yuan)團體充當非正式的(de)(de)協調人(ren)(ren)。回(hui)到(dao)該領域(yu)的(de)(de)萌(meng)芽(ya)時期,“我(wo)從(cong)(cong)科技論文(wen)上讀到(dao)的(de)(de)電活(huo)化(hua)聚合物材料并(bing)不(bu)像廣告吹噓的(de)(de)那樣神(shen)奇,”他一邊回(hui)憶,一邊狡黠地笑著,“而(er)且當我(wo)從(cong)(cong)NASA獲得經費來研(yan)究該技術(shu)時,我(wo)不(bu)得不(bu)去(qu)了(le)(le)解誰在做這個(ge)領域(yu)的(de)(de)工作,以便從(cong)(cong)中(zhong)找到(dao)某些啟發(fa)。”僅在數年(nian)之(zhi)內,Bar-Cohen就已掌(zhang)握了(le)(le)足夠的(de)(de)知(zhi)識(shi),并(bing)且協助舉辦了(le)(le)首屆關于該主(zhu)題的(de)(de)科技研(yan)討(tao)會,開(kai)始出版(ban)一份(fen)EAP時事通訊,發(fa)布(bu)了(le)(le)一個(ge)EAP網(wang)站,還編寫(xie)了(le)(le)兩部關于這項新興技術(shu)的(de)(de)論著。
在噴氣推進實驗(yan)室(JPL)院內的(de)一幢矮層研(yan)究(jiu)建筑內,試驗(yan)臺上(shang)擺滿了(le)各(ge)種致動設備原型以(yi)及(ji)測試裝置(zhi),Bar-Cohen開始回顧他(ta)已經(jing)了(le)如指掌的(de)關于該領域的(de)歷(li)史(shi)。他(ta)說(shuo):“很長(chang)一段時間(jian)內,人們(men)一直在尋(xun)找不(bu)用(yong)電動馬(ma)達就可以(yi)移動物體(ti)的(de)方(fang)法,因為馬(ma)達對于許多(duo)應用(yong)而言顯得(de)太過笨重。在EPAs出現之前,馬(ma)達的(de)標準替代技(ji)術是壓(ya)電陶瓷,該技(ji)術曾一度是研(yan)究(jiu)的(de)熱點。”
在(zai)壓電(dian)材(cai)料(liao)中,機(ji)械應力可導致晶體電(dian)極(ji)化,而且反之亦然。用(yong)電(dian)流刺(ci)激這種材(cai)料(liao)將(jiang)使其(qi)變(bian)(bian)形(xing);通過改變(bian)(bian)其(qi)形(xing)狀可以(yi)產(chan)生電(dian)。 Bar-Cohen從(cong)一(yi)張實驗長(chang)椅上拿(na)起一(yi)只(zhi)淺(qian)灰色的小碟子(zi),說:“這塊碟子(zi)由PZT(鋯鈦酸鉛(qian))制成(cheng)。”他向我們解釋(shi):電(dian)流使得(de)壓電(dian)PZT產(chan)生收縮或者膨脹(zhang),幅度(du)只(zhi)有(you)不到其(qi)總長(chang)度(du)的百分(fen)之一(yi)。盡管變(bian)(bian)形(xing)量(liang)很小,但是卻有(you)用(yong)處。
在隔壁的(de)(de)(de)一間屋子(zi)中,Bar-Cohen出示了由PZT碟(die)子(zi)驅動(dong)的(de)(de)(de)一英尺長的(de)(de)(de)沖擊鉆(zhan),他正(zheng)和JPL的(de)(de)(de)同事以(yi)及Cybersonics公司(si)的(de)(de)(de)工(gong)程師們一起研制這些PZT碟(die)子(zi)。他介紹說:“在這個(ge)圓筒內是一疊壓電碟(die)子(zi),當(dang)被交流(liu)電激(ji)活時,這疊碟(die)子(zi)將以(yi)超音速(su)拍打鉆(zhan)頭(tou),鉆(zhan)頭(tou)則以(yi)高速(su)率上下(xia)跳躍,從而(er)鉆(zhan)入堅硬的(de)(de)(de)巖石(shi)。”在另一側是幾堆石(shi)塊,石(shi)塊已(yi)經被鉆(zhan)出很(hen)深的(de)(de)(de)孔(kong)眼。
該鉆子作為一個范例,說(shuo)明了(le)用壓電陶瓷制作致動器的有(you)效性(xing),的確讓人印(yin)象深(shen)刻。但是,在許(xu)多應用中(zhong),要求電活化材料(liao)的膨脹幅度超過百分之零點幾。
高分子液晶材料
高分子(zi)液(ye)晶(jing)(jing)是(shi)科(ke)學家們心目中(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)硅(gui)的(de)(de)(de)(de)(de)理想替代物(wu)。過(guo)去(qu),許多(duo)(duo)微觀研發工(gong)作都是(shi)在硅(gui)材料(liao)的(de)(de)(de)(de)(de)基礎上進(jin)行的(de)(de)(de)(de)(de)。而越來越多(duo)(duo)的(de)(de)(de)(de)(de)科(ke)學家認為(wei),高分子(zi)液(ye)晶(jing)(jing)聚合(he)物(wu)的(de)(de)(de)(de)(de)柔韌性比(bi)硅(gui)好。對液(ye)晶(jing)(jing)聚合(he)體進(jin)行精細剪(jian)裁加(jia)工(gong)后(hou),加(jia)工(gong)出的(de)(de)(de)(de)(de)樣品(pin)對溫度變化、紫外線照(zhao)射等(deng)特定的(de)(de)(de)(de)(de)外界刺激有相應(ying)的(de)(de)(de)(de)(de)反應(ying),也比(bi)硅(gui)的(de)(de)(de)(de)(de)敏感程度高。而且液(ye)晶(jing)(jing)聚合(he)物(wu)的(de)(de)(de)(de)(de)制造成本(ben)比(bi)硅(gui)材料(liao)更低,加(jia)工(gong)工(gong)藝也更加(jia)簡單。
相(xiang)比起(qi)硅制的(de)(de)假肢(zhi),“人造(zao)(zao)肌(ji)肉”更顯神奇。20世紀80年(nian)代,科學家(jia)們(men)發現(xian),在(zai)電流的(de)(de)作用(yong)下,高分子(zi)液晶(jing)材(cai)料的(de)(de)分子(zi)可(ke)以發生(sheng)形(xing)變和扭曲,進而使材(cai)料本(ben)身(shen)產生(sheng)收縮(suo)和彎(wan)曲——這非(fei)常類(lei)似(si)于人類(lei)的(de)(de)肌(ji)肉,于是(shi)科學家(jia)們(men)開始研究(jiu)如何利(li)用(yong)高分子(zi)液晶(jing)材(cai)料構(gou)造(zao)(zao)“人造(zao)(zao)肌(ji)肉”。傳統(tong)的(de)(de)機器人除了關(guan)節之外(wai),四肢(zhi)不(bu)能自由活動,如果有(you)了“人造(zao)(zao)肌(ji)肉”,則他們(men)的(de)(de)四肢(zhi)會更加靈活且(qie)發達。
尼龍絲材料
尼(ni)龍絲這(zhe)種令人意料之外的(de)(de)功(gong)用,是在本周出版的(de)(de)美(mei)國(guo)《科(ke)學(xue)》雜(za)志中公布的(de)(de),而這(zhe)項研究(jiu)的(de)(de)參與者則是在美(mei)國(guo)德(de)克薩斯州(zhou)大學(xue)達拉(la)斯分校工作的(de)(de)巴(ba)西(xi)科(ke)學(xue)家們。
這(zhe)項(xiang)研究由(you)Roy Baughman領導,他(ta)是在(zai)這(zhe)項(xiang)領域中對(dui)世界(jie)貢(gong)獻(xian)最(zui)大的科(ke)學家之一。 同時,另外兩位科(ke)學家M?nica Jung de Andrade與Márcio Lima在(zai)美(mei)國相(xiang)關機構攻讀(du)完博士后課程,也加盟了這(zhe)項(xiang)新研究。
研究顯示,能(neng)(neng)(neng)夠成(cheng)為制作人(ren)造(zao)肌肉材料的最重要特征,就是此材料有能(neng)(neng)(neng)力在儲存大量能(neng)(neng)(neng)量的同時以同樣的方式保持肌肉的活性。
另一(yi)個重要的指標就是這個制作材(cai)料的可逆轉性。因為研究顯示(shi),除非(fei)一(yi)種材(cai)料在經歷幾千次儲存與(yu)釋放(fang)能量的過程中(zhong)完全不損(sun)失其性能,否則(ze)就無法(fa)保持其強(qiang)大的收縮力以保持肌肉活性。
在(zai)攻(gong)克這一(yi)(yi)難關(guan)的過程中,科學(xue)家們其實已(yi)經使用了(le)許多(duo)材(cai)料進行人(ren)造肌肉實驗。科學(xue)家們起(qi)初使用碳納米管來進行人(ren)造肌肉實驗,他們將該材(cai)料加(jia)熱,并(bing)且像真正的肌肉一(yi)(yi)樣(yang)舉起(qi)重物(wu),但(dan)是許多(duo)實驗材(cai)料的實驗結果卻并(bing)不理想。
Márcio Lima向記者解釋道,解開這(zhe)個(ge)謎題的(de)(de)(de)關(guan)鍵(jian)就是研究員(yuan)們找到了某些(xie)纖維材料(liao)的(de)(de)(de)熱膨脹系數(shu)為負,這(zhe)就相(xiang)當于在(zai)加熱材料(liao)和冷卻材料(liao)的(de)(de)(de)過(guo)程中,只要控制好與應用好材料(liao)溫度的(de)(de)(de)變化,就能(neng)夠準確地在(zai)材料(liao)的(de)(de)(de)運動過(guo)程中保持材料(liao)的(de)(de)(de)可逆轉性。
他說道:“我們發現將纖維(wei)擰在一起形(xing)成一個彈(dan)簧(huang)或者線(xian)圈(quan)的(de)形(xing)狀能夠放大(da)使用效果。之后(hou)我們又實驗了許(xu)多更加便宜的(de)纖維(wei)材料,也達到了很好的(de)效果,尼(ni)龍(long)絲就是(shi)其中一種。”
這種材(cai)料的(de)最大(da)好處就是在(zai)于價(jia)格便宜,因為這種尼龍絲每斤只(zhi)需花費15雷亞(ya)爾。而(er)且在(zai)實驗中,這種尼龍絲所制作的(de)人造肌(ji)肉,在(zai)100攝氏度溫度變化內的(de)承重效(xiao)果,比人體肌(ji)肉的(de)性能要強84倍之多。
在(zai)未來(lai),這種新(xin)型技(ji)術可(ke)(ke)能(neng)會應用(yong)于機器人(ren)制作、生物醫學(xue)工程(例如制造承重(zhong)性能(neng)強大的(de)假肢等等),甚至(zhi)在(zai)紡織行業也可(ke)(ke)以應用(yong)。例如,在(zai)嚴熱(re)或寒冷的(de)天氣(qi)中,你(ni)可(ke)(ke)以打開或關閉(bi)衣服(fu)上用(yong)該尼龍絲科技(ji)制成的(de)“氣(qi)孔(kong)”,以達到(dao)調節溫度的(de)目的(de)。
SRI小(xiao)組的(de)(de)領導者Ron Pelrine介紹說:“在(zai)(zai)與日本簽(qian)署微型機(ji)器計劃(Japanese micro-machine program)合(he)同之后,斯(si)坦福(fu)研究院(SRI INTERNATIONAL)從(cong)1992年開(kai)始(shi)研究人造肌(ji)肉(rou)。”他從(cong)前是一名物(wu)理學家(jia),轉行(xing)做機(ji)械(xie)工程師(shi)。日本官方在(zai)(zai)尋找(zhao)一種(zhong)新型的(de)(de)微致(zhi)動(dong)器技術。幾位(wei)(wei)SRI研究人員開(kai)始(shi)尋找(zhao)一種(zhong)在(zai)(zai)力學、沖(chong)程(線性(xing)位(wei)(wei)移)以及應變(單位(wei)(wei)長(chang)度或單位(wei)(wei)面(mian)積(ji)的(de)(de)位(wei)(wei)移量)等方面(mian)的(de)(de)性(xing)質(zhi)與自然肌(ji)肉(rou)類(lei)似的(de)(de)致(zhi)動(dong)材料(liao)。
“我們(men)考察了(le)一大(da)堆有(you)希望(wang)的(de)活化技術,”Pelrine回憶道。然而(er),他們(men)最終選擇(ze)了(le)電(dian)致伸(shen)縮聚合物(wu),當(dang)時來(lai)自路特葛斯(si)大(da)學(Rutgers University)的(de)Jerry Scheinbeim正在研(yan)究這(zhe)(zhe)種(zhong)材料。這(zhe)(zhe)種(zhong)聚合物(wu)中的(de)碳氫分子以半(ban)晶體點陣的(de)方式排列,而(er)這(zhe)(zhe)種(zhong)晶陣具有(you)類似壓電(dian)的(de)屬性。
當(dang)處于(yu)電(dian)場中(zhong)時,所有的(de)絕緣塑料(例如聚亞安酯)將會沿電(dian)力線(xian)的(de)方(fang)(fang)向收縮,同時沿垂直于(yu)電(dian)力線(xian)的(de)方(fang)(fang)向膨脹(zhang)。這(zhe)種現象(xiang)與電(dian)致(zhi)伸縮不同,被稱為麥克斯韋應力。Pelrine 說:“這(zhe)種現象(xiang)早就為人們所熟知,但一直被當(dang)作是一種很(hen)麻(ma)煩的(de)效應。”
他意識(shi)到,比聚亞安酯更軟的(de)(de)聚合(he)(he)物在靜(jing)電(dian)吸引作(zuo)用下(xia)將更容易擠壓,因而(er)可(ke)以提供更大的(de)(de)機械應變(bian)。通過(guo)對軟硅樹(shu)脂進行試(shi)驗,SRI的(de)(de)科學(xue)家很快證(zheng)明其(qi)(qi)應變(bian)在10-15%之間,這(zhe)十(shi)分合(he)(he)意。經(jing)過(guo)進一步研究(jiu),這(zhe)個數(shu)字還可(ke)以提高(gao)到20-30%。為了區別這(zhe)種新的(de)(de)致(zhi)動(dong)器材(cai)料(liao),硅樹(shu)脂和其(qi)(qi)他較(jiao)軟的(de)(de)材(cai)料(liao)被命名(ming)為電(dian)絕緣橡膠(dielectric elastomers)(也被稱為電(dian)場活化聚合(he)(he)物。)
在確定出幾種有前途的(de)(de)聚(ju)合物材(cai)料之(zhi)后,在1990年(nian)代(dai)剩余的(de)(de)大部分時(shi)(shi)間內,該(gai)小(xiao)組將(jiang)注意(yi)力集中(zhong)于研(yan)制特定設備(bei)應用的(de)(de)具體細(xi)節。當時(shi)(shi),該(gai)SRI研(yan)究(jiu)小(xiao)組新的(de)(de)外(wai)部經費支持(chi)和研(yan)究(jiu)方向(xiang)由美國國防高級研(yan)究(jiu)計劃局(DARPA)和海軍(jun)研(yan)究(jiu)中(zhong)心(Office of Naval Research)提供,其主管的(de)(de)首要興趣在于將(jiang)該(gai)技(ji)術用于軍(jun)事目的(de)(de),包括小(xiao)型(xing)偵察機器人以及輕(qing)型(xing)發電機。
由(you)于(yu)橡膠(jiao)開(kai)始表現出(chu)大得多(duo)的應變(bian),工程師意識(shi)到(dao)電(dian)(dian)極也(ye)必須是可以膨(peng)(peng)脹的。普通金屬電(dian)(dian)極無(wu)法伸長,除非將其(qi)割裂。Pelrine提到(dao):“起(qi)先,人們不用為這個問題操心,因為他們研究的材料所提供的應變(bian)只有(you)1%左右。”最后,該研究小(xiao)組開(kai)發(fa)出(chu)一(yi)種基于(yu)在(zai)橡膠(jiao)陣列(elastomeric matrix)中(zhong)填充碳粒(li)的屈從電(dian)(dian)極。他指出(chu):“由(you)于(yu)電(dian)(dian)極和塑料一(yi)起(qi)膨(peng)(peng)脹,它們可以在(zai)整個活(huo)動區(qu)域之(zhi)(zhi)間保(bao)持電(dian)(dian)場。”SRI International為該概(gai)念申請了專利(li),它是后來(lai)人造(zao)肌肉技術的關鍵之(zhi)(zhi)一(yi)。
Pelrine急于(yu)向我們展(zhan)示,他拿(na)出一(yi)個(ge)15厘米見(jian)方看上去像(xiang)相框的(de)東西,其兩面的(de)塑料包夾(jia)由(you)于(yu)膨脹而緊繃(beng)著。“看,這種聚(ju)合物材料延(yan)展(zhan)性非常好,”他說,同時用一(yi)只手指按入其透明薄膜。“它實際(ji)上是一(yi)種雙面膠(jiao)帶,一(yi)大卷的(de)價格很便(bian)宜。”在中間夾(jia)片的(de)兩面是黑色、鎳幣(bi)大小的(de)電極,連著導線。
Pelrine擰(ning)開(kai)電源(yuan)的控制旋鈕。立(li)刻,黑色的圓形電極對開(kai)始(shi)膨脹,直徑增加了(le)四分之一(yi)。當他將(jiang)旋鈕擰(ning)回到原(yuan)來(lai)位置時(shi),電極馬上又收縮至原(yuan)狀態。他咧(lie)嘴笑了(le)笑,并且重復操作了(le)好幾次,解(jie)釋說(shuo):“根本(ben)上,我們(men)的設備就(jiu)是電容,也就(jiu)是兩塊平(ping)行(xing)的充電平(ping)板(ban),中(zhong)間夾(jia)著電絕緣材料。當電源(yuan)接(jie)通時(shi),正(zheng)負電荷分別(bie)在相(xiang)反的電極上積(ji)累。電極平(ping)板(ban)互相(xiang)吸(xi)引并且擠(ji)壓中(zhong)間的絕緣聚合物(wu),并且聚合物(wu)的面積(ji)擴大。”
盡管已經確定(ding)出幾種有前途的(de)材(cai)料,要想在實(shi)際(ji)設備中實(shi)現可(ke)接受的(de)性(xing)能(neng)的(de)確是一個(ge)挑戰。然而,該小組在1999年(nian)取得的(de)一系列(lie)突破(po)引起了美國政府及工業界相當的(de)興趣。
有人通(tong)過觀察發現,在(zai)電(dian)(dian)活(huo)(huo)化(hua)聚合物材(cai)料之(zhi)前預先(xian)拉伸(shen)(shen)(shen)它(ta),將大大提(ti)高其性能(neng)。小(xiao)組的另一(yi)位成員Roy Kornbluh工(gong)程師回(hui)憶(yi)說:“我們開(kai)始注(zhu)意到存在(zai)一(yi)個甜(tian)區(sweet point),這時可(ke)以獲得(de)最(zui)優性能(neng)。沒有人確切地知道(dao)為(wei)什么(me),但(dan)是(shi)預拉伸(shen)(shen)(shen)聚合物可(ke)以使(shi)擊穿強度【電(dian)(dian)極之(zhi)間電(dian)(dian)流通(tong)路(passage of current)的阻力】增(zeng)加(jia)100倍(bei)之(zhi)多。”電(dian)(dian)活(huo)(huo)化(hua)應變(bian)提(ti)高的幅度與之(zhi)類似。盡管(guan)原因還不(bu)是(shi)很清楚,SRI的化(hua)學家(jia)裴其冰(bing)(音)認為(wei):“預拉伸(shen)(shen)(shen)可(ke)沿(yan)平面膨脹方向(xiang)定位分子鏈,并且材(cai)料使(shi)得(de)沿(yan)該(gai)方向(xiang)更加(jia)堅硬(ying)。”為(wei)了(le)獲得(de)預拉伸(shen)(shen)(shen)效果,SRI的致動器設備(bei)采用了(le)一(yi)個外(wai)部支(zhi)撐結構。
第二項關(guan)鍵發現得益于(yu)研究人(ren)員“測試我(wo)們(men)所知道(dao)的(de)每(mei)一種(zhong)可(ke)(ke)伸展材(cai)料,我(wo)們(men)稱之為(wei)愛(ai)迪(di)生方法,”Pelrine愉快地告訴我(wo)們(men)。(為(wei)找到合(he)適(shi)的(de)電(dian)燈燈絲材(cai)料,托馬斯(si)·愛(ai)迪(di)生系(xi)統地試驗過各種(zhong)材(cai)質。)“在我(wo)家里,為(wei)了不讓我(wo)那剛(gang)會走路的(de)孩子亂拿(na)東(dong)西,我(wo)們(men)用一把以(yi)聚合(he)物(wu)材(cai)料做(zuo)的(de)門鎖(suo)(suo)將(jiang)冰(bing)箱(xiang)鎖(suo)(suo)住。孩子逐(zhu)漸長大,我(wo)們(men)不再需要(yao)鎖(suo)(suo)什(shen)么東(dong)西,因此將(jiang)鎖(suo)(suo)拿(na)走。由于(yu)它是(shi)(shi)用可(ke)(ke)伸展材(cai)料制成的(de),我(wo)決定(ding)測試一下它的(de)應(ying)變(bian)(bian)屬性(xing)。令人(ren)驚訝的(de)是(shi)(shi),它擁有(you)極佳(jia)的(de)性(xing)能。”追(zhui)溯鎖(suo)(suo)的(de)來(lai)源以(yi)及分析其組成不是(shi)(shi)什(shen)么難事,最后,這(zhe)種(zhong)神(shen)秘的(de)聚合(he)物(wu)“原來(lai)是(shi)(shi)聚丙烯(xi)酸(suan)橡膠,它可(ke)(ke)以(yi)提供極大的(de)應(ying)變(bian)(bian)和(he)能量(liang)輸出(chu),線性(xing)應(ying)變(bian)(bian)達(da)380%之多。這(zhe)兩項進(jin)展使(shi)得我(wo)們(men)能夠(gou)開始將(jiang)電(dian)絕緣橡膠應(ying)用到現實的(de)致動器設備中。”該研究人(ren)員介紹說。
天然橡膠材料
SRI小組的(de)(de)通用研究方(fang)法(fa)比較靈活,包括許多(duo)(duo)(duo)種設(she)計、甚(shen)至包括不同的(de)(de)聚(ju)(ju)合(he)物(wu)。正如裴(pei)其冰所說:“這是一(yi)(yi)臺設(she)備(bei),而(er)不是一(yi)(yi)件材料。”據Pelrine稱,該小組能夠(gou)用不同的(de)(de)聚(ju)(ju)合(he)物(wu)產生活化(hua)效(xiao)應,包括丙烯酸樹脂和硅樹脂。甚(shen)至天然(ran)橡膠也(ye)能產生一(yi)(yi)定效(xiao)應。例如,在外部空間的(de)(de)極端溫度(du)環境中,人造肌(ji)肉(rou)最好采用有(you)機硅塑料,已經(jing)證明這種材料可以在零下100攝氏度(du)的(de)(de)真空環境下工作(zuo)。對于要求更大輸出力的(de)(de)應用,可能需要更多(duo)(duo)(duo)的(de)(de)聚(ju)(ju)合(he)物(wu)材料或者(zhe)將多(duo)(duo)(duo)臺設(she)備(bei)串(chuan)聯(lian)或并聯(lian)。
SRI成員von Guggenberg 估計(ji):“由于可以買到電絕緣橡膠(jiao)的現(xian)貨,而且我(wo)們在(zai)每臺設(she)備(bei)至(zhi)多(duo)只用到幾平(ping)方英尺(chi)的材料(liao),因此致(zhi)動器將會非常便宜,尤其是對于批量生(sheng)產。”
激(ji)活電(dian)(dian)絕緣(yuan)橡膠(jiao)致動器的(de)(de)電(dian)(dian)壓(ya)相對較高(gao),通常(chang)(chang)為1到5千伏,因此該設備可以在非常(chang)(chang)低的(de)(de)電(dian)(dian)流下運轉(一般(ban)而(er)言,高(gao)電(dian)(dian)壓(ya)意(yi)味著低電(dian)(dian)流)。致動器還可以使(shi)用較細、不太貴的(de)(de)導線,并且可以保持相當冷卻。Pelrine說:“在到達電(dian)(dian)場(chang)中止(zhi)以及電(dian)(dian)流流經(jing)(電(dian)(dian)極之間(jian)的(de)(de))間(jian)隔的(de)(de)臨界點時,更高(gao)的(de)(de)電(dian)(dian)壓(ya)將產(chan)生更大的(de)(de)膨脹和應力。”
更大(da)的(de)(de)難題是(shi)高(gao)電壓(ya)要用于移動設備(bei),因為電池(chi)通(tong)常是(shi)低電壓(ya)的(de)(de),因而還需(xu)要附加的(de)(de)變壓(ya)線圈(quan)。而且,在美國賓夕(xi)法尼亞州州立大(da)學,張啟明(ming)(音(yin))和他(ta)的(de)(de)研究小組已經在嘗試通(tong)過(guo)將某些電致伸縮聚合物與其他(ta)物質(zhi)結合生(sheng)成(cheng)合成(cheng)物,來降低它們的(de)(de)激活電壓(ya)。
當被問(wen)及電絕緣(yuan)橡膠的(de)(de)耐(nai)久(jiu)性時(shi),von Guggenberg承(cheng)認還需要更多的(de)(de)研究,并且(qie)證實了一(yi)個“合(he)(he)(he)理跡象”,即(ji)他們要繼續(xu)工作足(zu)夠長時(shi)間以(yi)實現(xian)商業化(hua)用(yong)途,“例如,我們為一(yi)位(wei)客戶運行(xing)的(de)(de)設(she)備(bei)可(ke)產生5-10%的(de)(de)應(ying)變(bian),循(xun)環1000萬次。”另一(yi)臺設(she)備(bei)可(ke)產生50%的(de)(de)面積應(ying)變(bian),循(xun)環100萬次。盡管人造(zao)肌肉設(she)備(bei)比相應(ying)的(de)(de)電動馬(ma)達要輕(qing)得多(聚合(he)(he)(he)物本(ben)身的(de)(de)密(mi)度與水差不多),SRI仍(reng)在通(tong)過減(jian)少必要的(de)(de)外部預應(ying)變(bian)設(she)備(bei),來努力(li)減(jian)輕(qing)其質量。 2004年(nian)5月27號日本(ben)橫濱國立大學渡邊正(zheng)義教授領導的(de)(de)研究小(xiao)組開發出一(yi)種新型(xing)人造(zao)肌肉,用(yong)一(yi)節干電池(chi)即(ji)能驅動,用(yong)于微型(xing)機(ji)器和小(xiao)型(xing)機(ji)器人的(de)(de)關(guan)節部位(wei)十分合(he)(he)(he)適。
這種(zhong)人造肌肉形狀像口香糖(tang),長(chang)約5厘(li)米,寬1厘(li)米,厚幾百微米。它(ta)由一種(zhong)隨電壓變(bian)化而伸(shen)縮(suo)的高分(fen)子材(cai)料(liao)與一種(zhong)不易揮發(fa)的離子液體混合制(zhi)成,可以在(zai)正常環(huan)境下長(chang)期使(shi)用。如果在(zai)微型機器的關節和(he)驅動部位裝上這種(zhong)人造肌肉,它(ta)可像人的關節一樣發(fa)揮作用。