人工肌肉重大突破登上《Science》，多國科學家聯合實現全新驅動機理

作者 雷鋒網 | 發布日期 2021 年 02 月 11 日 0:00 |

2021 年，機器人已經「成精」了，公然吵架、組團熱舞再也不是人類專屬。在許多人心裡，機器人還是僵硬、機械甚至冰冷，即便如此，技術日新月異，柔性機器人快速發展，我們對機器人的刻板印象也該打破了。

科學家設計的軟體機器人外形可謂五花八門，比如：

磁場驅動的軟體機器人，看上去像花瓣。

會奔跑、能游泳、能舉重物的「小獵豹」。

可用於軍事行動的隧道快速挖掘機器人。

其實，軟體機器人的設計往往與一種智慧材料有關：人工肌肉。最近這領域中國科學家聯合美、韓、澳等多國學者有了新突破。

相比傳統人工肌肉，這次設計出的人工肌肉有無毒、驅動頻率高（10Hz）、驅動電壓低（1V）、高比能量（0.73~3.5J/g）、高驅動應變（3.85~18.6%）、高能量密度（高達 8.17W/g）特性。

奈米碳管線為何物？

2021 年 1 月 29 日，題為「Unipolar-Stroke, Electroosmotic-Pump Carbon Nanotube Yarn Muscles」（單極衝程、電滲泵奈米碳管線肌肉）的論文發表於著名學術期刊《科學》（Science）。

論文出自哈爾濱工業大學（複合材料與結構研究所）、江蘇大學（智慧柔性機電研究所）、常州大學（江蘇省光伏科學與工程協同創新中心）、美國德州大學達拉斯分校、伊利諾大學厄巴納香檳分校、南韓漢陽大學、首爾大學、澳洲臥龍崗大學、迪肯大學等團隊。

論文題目有個看起來高深的詞「奈米碳管線」（Carbon nanotube yarns）。談研究細節前，先來解決一個問題：奈米碳管線為何物？

奈米碳管線源自奈米碳管，這是具特殊結構的一維量子材料，徑向尺寸為奈米量級、軸向尺寸為微米量級、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成的數層同軸圓管，層與層之間的固定距離約 0.34 奈米，而圓管的直徑一般為 2~20 奈米。

據了解，奈米碳管為一維奈米材料，重量輕、有完美連接結構，因此有獨特力學、電學、化學性能。基於這些特性，奈米碳管線也應運而生。據字面意思可知，這是透過拉伸和鬆弛、碳基奈米管纖維製成的緊密絞合線。

不同於普通線，奈米碳管線其實是種超導體，還可當電池使用。早在 2011 年，德州大學就與美國企業展開合作，致力將奈米碳管線推向市場。

2017 年，德州大學達拉斯分校又研製出名為 Twistron 的奈米碳管線。

研究團隊的李娜博士受訪時表示：

這些線本質上是種超級電容器，但無需外加電源充電。因奈米碳管與電解質的化學電勢不同，當線浸入電解質時，一部分電荷會嵌入。線拉伸時，體積減小，使電荷相互靠近，電荷產生的電壓增高，從而獲得電能。

2014~2016 年，哈爾濱工業大學博士生楚合濤至德州大學達拉斯分校接受訓練，正是自那時起，哈爾濱工業大學冷勁松教授課題組與德州大學達拉斯分校 Ray H. Baughman 教授課題組，開始了有關奈米碳管線人工肌肉的研究。

這次正是博士畢業生的楚合濤為論文共同作者之研究。

人工肌肉性能達到新突破

那麼，奈米碳管線和人工肌肉之間，又有什麼關係？

論文介紹，滲透離子（不論正負）會影響著長度、直徑的變化，因此奈米碳管線可用作電化學致動器。據悉，奈米碳管線人工肌肉是典型的智慧材料，主要透過熱、電化學兩種方式驅動，兩種驅動方式有差別。

根據熱力學定律，熱驅動受卡諾循環效率（Circulation efficiency in Kano，一高溫熱源溫度 T1 和一低溫熱源溫度 T2 的簡單循環）制約──比電化學驅動能量轉換效率更高，有更廣闊的應用前景。

基於這點，研究團隊構建全固態肌肉（all-solid-state muscle）。透過向線滲透帶電聚合物，纖維開始部分膨脹，隨著離子損失長度會增加，增加肌肉的總衝程。

哈爾濱工業大學表示，研究人員首次發現透過聚電解質功能化的策略，可達成人工肌肉智慧材料的「雙極」（Bipolar）驅動轉變為「單極」（Unipolar）驅動（如下圖），同時發現人工肌肉隨電容降低、驅動性能增強的反常現象（Scan Rate Enhanced Stroke，SRES）。

研究人員發現這些效果：

做到單一離子嵌入、嵌出的「單極」效應，解決「雙極」效應反向離子的嵌入、嵌出引起的性能降低問題，提高工作效率與能量密度等性能；

人工肌肉隨掃描速率增加，驅動性能增加，解決了傳統人工肌肉驅動性能的電容依賴性問題。

哈爾濱工業大學認為：

此重要突破解決了人工肌肉驅動性能的電容依賴性問題，為後續設計具有無毒、低驅動電壓的高性能驅動器提供新的理論基礎。

值得一提的是，此突破在空間展開結構、仿生撲翼飛行器、可變形飛行器、水下機器人、柔性機器人、可穿戴外骨骼、醫療機器人等領域有巨大的應用潛力。

關於作者

早在 1990 年代初，哈爾濱工業大學複合材料與結構研究所就確立智慧材料與結構的研究方向。哈工大在這領域的探索離不開一個名字──冷勁松。

冷勁松畢業於哈爾濱工業大學複合材料專業，2004 年起擔任哈工大航天學院複合材料與結構研究所教授、博班導師。

1992 年起，冷勁松就開始開展智慧材料系統和結構的研究，主要研究方向包括智慧材料系統和結構系統、光纖傳感器、結構健康監控、複合材料結構設計和工藝技術、可變翼飛行器、結構振動主動控制、光纖通訊和微波光電子器件、微機電系統等等。

另外，冷勁松也在 International Journal of Smart & Nano Materials 擔任主編，《Smart Materials & Structures》和《Journal of Intelligent Material Systems and Structures》等國際雜誌擔任副主編。2006 年入選中國教育部新世紀優秀人才計劃，2007 年入選長江學者特聘教授，2018 年當選歐洲科學院物理與工程學部外籍院士（Members of the Academia Europaea）。

論文通訊作者之一正是冷勁松。

2020 年 3 月 4 日，冷勁松教授團隊與美國馬里蘭大學 Norman M. Wereley 教授團隊的共同研究成果發表於國際著名期刊《Soft Robotics》，展示受象鼻啟發、可伸展／收縮的氣動人工肌肉基礎上設計的新型彎曲螺旋可伸展／收縮氣動人工肌肉（HE-PAMs / HC-PAMs）。

這次研究，將使團隊在人工肌肉方面的探索更深入。

資料來源：https://technews.tw/2021/02/11/unipolar-stroke-electroosmotic-pump-carbon-nanotube-yarn-muscles/

韓國瑜國政顧問團把麻醉科醫師王明鉅列在醫療長照組，但他發言最多的卻是能源議題，而且錯誤百出。
e.g.曾造謠「德國執政黨坦承非核家園目標錯了｣→被德國官方打臉
「僅電費就要吃掉全台灣人5兆元｣→被取笑是唬爛。

你以為他在成為能源專家的路上遇到這麼多困難，他會放棄嗎?

👨‍⚕️：大選前怎麼可以不刷一下存在感，我可是(自稱的)能源專家耶!!
(編按：不，你不是，陳立誠已經是了，你是麻醉科醫生。)

他誇大天然氣因為戰爭的斷氣風險，販賣災難和缺電的恐懼，反正就是要說核能是最能自主掌握的能源。

其實，台灣海島國家99%能源進口的獨立電網，只有再生能源才是真正的自主能源，轉型成功就能獨立自主。

⚠️分散式電網才能保命，核電反而是攻擊目標

台灣是海島國家獨立電網，核電幫的解決方案就是蓋很多很多的大型核電廠，來確保不缺電。核電幫宣傳核電燃料棒體積小好運送，卻忽視燃料也是進口，並非真正的自主能源。尤其在中國恐嚇「留島不留人｣的戰略下，當戰爭發生時，最脆弱的是運轉中的核電廠，成為可能把台灣滅國的顯著目標。核電幫自信滿滿說核電廠不會被攻擊，但是怎能把國家安全，寄託在敵人理性的假設上呢。

檢視戰爭一旦發生的假設情境，工業生產和消費停頓，用電需求必然大減，核電幫所幻想的缺電危機就不存在，核電幫卻要推銷囤積核電燃料棒比天然氣容易。就維生系統的基本用電需求來說，集中式大電網，其中一處大電廠被攻擊所產生電壓不平衡的連鎖效應，才是大規模系統崩壞的癱瘓風險。

⚠️微電網示範社區提高地方韌性

反觀再生能源，特別是太陽光電和小水力、生質能等分散式小型發電設施，加上中小型儲電設備，多可就近在地供應，當天災或是戰爭等人禍發生的時候，還能維持最起碼的電源供應。轉型為分散式電網，提高再生能源發電比例，讓戰爭與氣候等危機發生時，各地方都有自主生存的韌性，不必事事都仰賴中央政府，救災資源也不至於疲於奔命捉襟見肘。

→屏東微電網示範社區，面對十年前莫拉克風災的極端氣候衝擊，縣府與民間協力，提高地方環境和社會的韌性。

→社會企業性質的陽光伏特家，就結合大型企業的資源等社會各界力量，在原住民部落遷村的永久屋社區建置屋頂型太陽能，未來當災害發生時，即使全台單一電網系統無法運作或無法送電至社區，社區也能自主發電，以電力維持社區的基本運作，包括維持機器運轉，讓食物冷藏不腐敗及安全的飲水，並維持訊訊暢通，將地方的緊急需求向外傳達。

未來韌性社區的綠能模式，將複製於各鄉鎮。經濟部能源局也協助偏鄉和原住民社區建置公民電廠，卻被擁核者抹黑有弊。

核粉恐懼戰爭打風機，何不逆向思考

另一方面，擁核小團體「台灣雕民｣在誇張的影片上說，西海岸的離岸風機，到戰爭時剛好就是被敵軍攻擊的目標，風機很貴將損失慘重。

就有網友指出，離岸風機可能會提高敵軍登陸作戰的難度，進一步來說，當各國外資的風機就蓋在台灣岸邊，當兩岸政局緊張，他們將以外交斡旋來促進和平，避免他們的資產在戰爭中受到損害，尤其許多風機背後的金融保證機構，是各國政府出資的基礎建設基金。

「核粉｣對再生能源的仇視，愈來愈走向不理性的病態對立，王明鉅這些自稱專家所注射的核電麻醉針，和政客的挑播煽動要負絕大部分責任。

#綠能謠言終結者

來認真討論一下關於太陽能板或究竟有沒有毒或汙染這件事情，從經濟部的圖文來看，我完全不明白他想表達甚麼意思...

#太陽能板主要成分是玻璃
談論太陽能板時，我想我們討論的都是從生產到發電再到廢棄物的 #模組概念，而並非只有那塊占比約3%的太陽能電池(cell)。以整個太陽光電板來說，約有70%的構成為玻璃，15%左右的鋁框，10%左右的EVA(接合材質)，5%的電池(發電本體)以及金屬導線。因此若要說太陽能板主要的材料嘛~依造經濟部對我國主要能源的定義來看，應該就是玻璃了(誤)。而不管是玻璃或是電池本身，基本上都是從矽砂提煉而成，矽砂也並非是矽而是矽的氧化物(SiO2)，自然界中很難看見有元素矽的存在阿...

至於二氧化矽有沒有毒，專業一點講，要看劑量，但基本上許多食品添加劑裡都有二氧化矽的存在，要說無毒無可厚非，當然，吃太多也是會有致死風險(廢話)，我也不會跟你保證吞下一小片太陽能電池或玻璃還能活得好好的 ~

#整個太陽能板的生命週期就是會有影響
言歸正傳，把經濟部的有毒說丟一邊，我想我們更在乎的仍是太陽能板的生產過程是否會對自然環境以及生命健康有所影響，而答案當然也是肯定的，會有影響，或多或少而已，從光電板的生產到廢棄物處理(置)階段，請看下列附圖，簡而言之，無論是水質優養化、空氣汙染、沉降酸化、溫室效應、生態毒性等等，都會有相當的風險喔，若有導入回收機制，確實能減少產品生命終端的汙染 ~而該篇論文將矽晶太陽能板與鍗化鎘(CdTe)稍稍做了比較，確實如經濟部不久前所說(第五張張圖)，CdTe在環境毒性的危害上較大，但他們也只說了一半，製造晶矽太陽能板空污方面的危害可能較CdTe多了一點(第六張圖)。

#大家大可安心
而除了矽之外，也不要忘記，太陽能模組裡可能也有鉛(光伏導帶)或銅，即便占比不高，廠商出場模組之前也都會經過重重測試，來確保產品無虞，但被極端天氣破壞的破碎光電板，也是有可能讓些微重金屬進入自然界的喔。而關於製成汙染或是能耗問題，我真的覺得很還好，大家也可以安心啦...目前從任何研究結果都顯示太陽能板的使用在能量回收上大概就一兩年，而汙染廢棄物只要能比造核廢料落實管理就不會有事，問題是...沒辦法。

#問題一直都不是能回收與否
目前環保署或是環團著墨的多事後端的回收機制然後跟你強調百分百回收...而百分百回收頂多是模組可以完全被拆解，可利用資源可被取出罷了...光是10%的EVA就是燒掉變成空汙捏...而去年上市公司爆出的事件是太陽能板不能回收嗎？不是，是製程廢棄物不能處理嗎？也不是...而是被 #非法處理後任意棄置...所以我真的不清楚要不斷強調光電板可以回收要幹嘛...

👇有興趣研究的期刊論文在這邊👇
https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/…/S0360544217312069

大立光(3008)10月營收57.69億元創歷史新高，但就在10月營收發布之後連連遭到法人調降評等，先有凱基證券在11月6日調降評等到降低持股，目標價位2200元；而前天又有JP摩根的最新報告將大立光從前次的中立降評為減碼，目標價更下調到2100元，也讓大立光股價在昨天開低走低，收盤大跌250元，跌幅9.21%收在2465元，跳空失守季線,並一口氣摜破月線和所有短均線，成交量2228張為前一天661張的3倍以上，成交值56.7億元市昨天台股第一大；大立光跌勢兇猛也拖累光電類股指數(TSE34)重挫4.71%。成交值第2名則為台積電(2330)的30.65億元，台積電收盤報在139.5元，下跌1.5元跌幅1.06%，成交量2.18萬張。擎亞(8096)受到三星收回代理權傳聞衝擊，昨天成交量爆衝至1.58萬張，股價以跌停2.55元作收。強勢指標看到轉型電競著主機板廠微星(2377)，營運看回不回，外資連連大買超，昨天股價再大漲逾6%，盤中最高來到45元價位，逆勢創下波段新高價。自8月25日股價低點21.5元起算，三個月來波段漲幅高達1.09倍。緯創（3231）今年奪下iPhone 6 Plus組裝訂單後，昨日宣布攜手印度手機經銷商成立合資公司，未來不僅在製造端加入「made in India」陣營，同時也有望向上布局至通路體系、售後服務端。昨日在大盤疲軟之際，緯創股價卻逆勢突圍，上漲2.14％、收在16.7元，在PC族群當中表現最強。雙鴻（3324）第3季業外跟本業都亮眼，單季每股稅後盈餘衝高至1.99元，表現遠優於市場預期，隨著蘋果Macbook散熱模組出貨放量基本面可望明顯好轉，也帶動近期股價噴出，昨日逆勢大漲一度逼近30元整數關卡，尾盤雖漲勢收歛，但漲幅仍達到4.6％。電子股裡的人氣族群還是要看太陽能，中國品質認證中心(CQC)與台灣工業技術研究院(ITRI)簽署了光伏也就是太陽能產品認證合作意向書，可望降低台商進入大陸成本，綠能(3519)獲得外資、自營商持續加碼買超，昨日量價再升溫，收漲3.45%。太陽能在產業轉機，產品報價走揚回春之下，茂迪（6244）等個股逆勢收紅，成為盤面強勢族群。
台股昨天仍然以櫃買生技類股(OTC41)表現最耀眼，旭富(4119)前10月每股稅前盈餘6.16元，可望奪下原料藥獲利王寶座，股價在買盤簇擁下收在101.5元漲停價的歷史高點。浩鼎(4174)和中裕(4147)雙雙收紅並同步創下收盤新高價。晟德 (4123) 透過併購方式持有大陸澳優乳業39.54％股權，而澳優的羊奶粉在大陸位居第一大，受惠二胎化政策激勵，晟德獲得外資連續買超，昨天爆出1.5萬多張大量，股價大漲超過5%。科妍（1786）受惠開發的玻尿酸已在大陸開賣，帶動今年前10月營收2.16億元，年成長率逾6成，前3季EPS也達0.84元，昨日在醫美股的比價效應下，盤中直奔漲停，以67.8元創下4個月新高，成交量也放大至1,967張。
在多數類股齊跌的氣氛中，立法院昨日三讀通過「金融機構合併法」修正案，帶動金融股(TSE28)轉強逆勢上漲，似乎有政策穩盤的影子；不過，金融股昨天成交值占大盤比重不到4％，追價力道有待拉升。金融類股昨天蠍由富邦金(2881)、國泰金(2882)帶頭，兆豐金(2886)、永豐金(2890)也跟進小漲，帶領類股指數力守平盤附近，不讓台股跌勢進一步擴大。法人表示，雖然金融股在第4季獲利並不凸出，但今年金融股整體獲利再創歷史新高，基本面相對強勁，支撐股價維持在一定水準，加上明年經濟成長率可望觸底反彈，金融股將走出谷底。，三大法人對金融股出現零星買進，買超前二大金控-富邦金4,277張、國泰金2,898張以及獲利優、未來具有與開發金合併題材的中壽(2823)買超1,140張，外資是主要買超來源。其他焦點股F-美食（2723）受惠於今年前3季營運表現亮眼，昨日股價上漲12.5元以232元作收，漲幅5.69％，創下去年10月中旬以來新高，正式登上觀光股王寶座，昨天單日三大法人合計買超472張，其中自營商連買5日，累計買超260張。

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