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/

摘：
聯合國原子能總署和輻射防護委員會在1980年代末期開始公布了輻射防護的五大原則（依序為其優先順序）：全文請參考ICRP Publication 103, The 2007 Recommendations of the International Commission on Radiological Protection.內附簡體中文版（http://www.icrp.org/publication.asp…）
1. 正當性（Justification）
2. 最優化（Optimization）
3. 劑量限值（Dose limits）
4. 遏制干預（Constraint）
5. 參考等級（Reference Level）
.......

原子能和平利用的恐怖陰謀

「核能啦啦隊」原能會真正的身分

如果核能沒有輻射的問題，如果輻射沒有最低安全限值（再低仍有風險），核能將會是完美的能源選擇，可惜也可怕的是：核能會產生百萬年都可以危害人類與環境的輻射問題，隨著人類對輻射的危害的認知與時俱進，讓人類社會無法接接受核能的輻射危害，早已是普世價值。

然而台灣在冷戰威權時代訂定的《原子能法》，只有一個目的，就是包裝核武的野心，以「促進原子能和平利用和研究」為名，把輻射防護、核能管制視為保障「原子能和平利用」的工具，長期以來洗腦人民，讓人民無條件接受不必要的輻射。依《原子能法》而成立的「行政院原子能委員會」，長期以來被譏為「球員兼裁判」，其實原能會的法定角色既不是球員，更不是裁判，而是「核電的啦啦隊」，或是實質上的「台電包商」。


能源轉型的重要案例

2018年9月6日田秋堇委員、蔡崇義委員調查，據訴，臺鹽實業股份有限公司生產的「健康減鈉鹽」，非衛生福利部核准在案之「健康食品」，其高鉀含量對腎病變者可能造成健康風險、具有偏高的輻射值(輻射食品標準為100貝克/公斤)，且並非對所有消費者皆有益，因此需加警語等情乙案調查報告。（https://www.cy.gov.tw/sp.asp…）可以下載調查報告，一覽全文。
這項調查報告過了9個月後在2019年5月28日才公布，本案對於台灣人民健康、食品安全有重大而深遠的影響，因為台灣過去半世紀以來，「促進原子能和平利用」洗腦成功的一斑，台灣的輻射防護全部成為擁核者的玩物，不斷用「低輻射無礙健康」，甚至還有「低輻射有益健康」，最近更有鄉林建設用「天然鐳」輻射作為「健康宅」的訴求，當然國營事業台鹽，在衛福部與原能會的保護下，用「健康」標榜高輻射的加鉀鹽也是「天經地義」。
衛福部在7月16日公告「市售包裝食用鹽品添加之食品添加物含天然放射性物質鉀-40之標示規定」草案，8月20日在立法院陳曼麗委員主辦公聽會中，來了一群業者、學者，紛紛陳述鉀的好處，甚至連香蕉蕉農理事長都出席關切。
本案的主要問題是在於人工合成的氯化鉀中含有放射性鉀-40問題，台鹽的「健康減鈉鹽」系列輻射量高達8860貝克／公斤，過去10年間，販售7000多噸，總輻射量可達520億貝克，福島核災過後，3座爐心爐毀的核電反應爐持續每小時排放1000萬貝克，換句話說，就是5200小時的排放。所謂「健康減鈉鹽」的影響不可謂不重大。



在這場公聽會中，我們看與會的包括台大教授、中研院的研究員都不了解NORM，和TENORM的差別，NORM是 Naturally Occurring Radioactive Material的縮寫，TENORM是Technologically Enhanced Naturally Occurring Radioactive Materials的縮寫。美國EPA有清楚的定義與管制要求可以參考。（https://www.epa.gov/…/technologically-enhanced-naturally-oc…）
像香蕉內的鉀-40的是NORM，天然的植物生理吸收的，含量極為有限，且鉀是人體必要元素，並無健康疑慮。而台鹽健康減鈉鹽是TENORM，自然界中沒有純度99%的氯化鉀，是經過人工濃縮提煉出或電解來的（Technologically Enhanced），這輻射劑量是額外的，且依包裝指示食用每天10克，等於每年額外增加了3至9張的X光的劑量。

一般市場宣傳「天然的最好」，在輻射方面，就沒有這種「偏見」，不論天然，還是人工的放射線，α（alpha），β（beta），γ（gamma）都是子彈，不論是警察，還是土匪，打出去的子彈是一樣的。

在國際輻射安全標準中，已經認定了輻射傷害（對人體致癌）是沒有最低安全劑量的，因為低劑量輻射對人類DNA傷害是「隨機性」的，也就是不會因放射性粒子或波的數量多寡而增加或減少DNA突變，導致癌症的機率。在以下這段NHK介紹的影片中，有清楚的動畫描述。



在這裡舉個例子，當年連勝文在永和為候選人站台，被黑道份子近距離行刑式槍擊，連勝文被子彈貫穿口腔，子彈擊中現場數十公尺外的一位身障者的頭部，結果連勝文復原了，而身障者當場死亡。這正可以說明低劑量（一顆子彈）的隨機性（想打的人沒死，不想打到的人卻死了）。

在醫學、生理學、分子生物學、公共衛生學、地質學、輻射醫學等跨領域科學上，以及經濟、社會、產業的論證妥協下，聯合國原子能總署和輻射防護委員會在1980年代末期開始公布了輻射防護的五大原則（依序為其優先順序）：全文請參考ICRP Publication 103, The 2007 Recommendations of the International Commission on Radiological Protection.內附簡體中文版（http://www.icrp.org/publication.asp…）
1. 正當性（Justification）
2. 最優化（Optimization）
3. 劑量限值（Dose limits）
4. 遏制干預（Constraint）
5. 參考等級（Reference Level）

這也被視為國際輻射防護的標準，國際原子能委員會的輻射防護標準引用，希望各國將其立法做為國內法的依據。

一、正當性
要輻射安全，就是盡可能的避免，所以國際輻射安全的第一條原則「正當性（Justification）」是非常重要的，如果沒有正當性，就不應該曝露於輻射中，除非是「利大於弊」。
二、最優化
如果在「正當性」完備的條件下，就要採取最優的「利大於弊」，也就是在最小傷害下，獲得最大的利益。
三、劑量限值
就「最優化」的依據，訂定出劑量的限值，在計劃性曝露時，不應超過這最大的劑量。

以上三項原則是在「計劃性曝露」所實施的，就是在控制的條件下，確定「利大於弊」的正當性，非曝露不可，在一定的劑量範圍內，可以接受「計劃性曝露」。
但是如果發生核災（核電廠無法控制排放輻射），特定的地質條件產生大量的輻射，或是核子試曝（現在國際社會已不允許），這些是「非計劃性曝露」，就要採取第四、第五項原則措施。

四、遏制干預
當非計劃性的事件發生，產生超過平時或計劃性的曝露量，行政機關、管制機關就要介入，採取遏止和干預手段。
五、參考等級
在不得已的情況下，即使在積極的介入干預，也不能降低輻射，就會訂定出「參考等級」的標準，以降低輻射危害。

如此看這五個原則，其實非常「空洞」，國際標準內容十分冷僻，文字非常艱澀，一般人根本看不懂，也難以理解。台灣當局也落得輕鬆，雖然《輻射防護法》第五條規定，我國國內輻射防護必須依照最新國際標準制定法規，但實際上，原能會的輻射防護還停留在50年前的概念，曾經大力鼓吹「低輻射有益健康」的謬論。

我們舉核電廠的例子，讓大家理解。

一、正當性
興建核電廠，可以產生電力，供應大眾、產業用電，有利於民生福祉，在計劃中核電廠會排放有限度的輻射，但經環境、經濟、社會影響評估，廠內外人員曝露劑量有限，利大於弊，所以興建核電廠。以德國為例，2011年福島核災後，德國政府評估，核電繼續運轉，核災與核廢的環境、經濟、社會成本過高，缺乏利大於弊的事實，就決定德國停止核能發電。
正當性的建立，除了健康效應外，還有經濟的補償，職業訓練，體檢等福利，讓受曝者接受輻射的「正當性」提高。像核電廠工人，都有「核能加給」，因為他們受到一定量的輻射曝露，也會因管制限內的輻射劑量增加而提高。奇怪的是原能會主委又不在核電廠上班，頂多偶爾視察，長年以來原能會主委、副主委都領「核能加給」，這種「過度正當」，讓原能會把「輻射」當成「福利」。
所以如果遇到核電幫再說「輻射無害論」，先要求他們撤銷原能會、核電廠、核研所的核能加給再說吧。
從正當性來看，廠外居民受到一定量計劃性曝露的輻射，當然要有補償，目前台電「電力開發協助金」依核電廠發電量補助，是不符合正當性的，應該以核電廠在地方存放的核燃料、核廢料以及輻射污染物的量來補償或賠償才對。
居民接受的劑量應遠低於廠內人員，因為居民並沒有領核電廠的薪水、退休金，以及各項福利保障。但政府常用廠內工人的管制限值來告訴人民一切沒有污染、安全，這就缺乏正當性，除非當局要發薪水、退休金給居民。

二、最優化
雖然核電廠有正當性，但是其輻射排放一定要越低越好，在核電廠的輻射防護最高原則是ALARA （As Low As Reasonabaly Achievable），在可行的合理條件下，能不排放就不排放，能減少多少，就減少多少，讓輻射的量降到最低，或是封閉在密閉空間內，不排放到廠外。

三、劑量限值
核電廠內的人員都配帶2個劑量佩章（輻射測量計），一個是短期的，每次進出輻射作業區的所受曝的輻射量，一個是每個月總共的劑量。如果一次或一個月，或數個月累積超過一定的數值，就會被限制不得再進入輻射管制區工作。即使這些工人已經收到核能加給、高輻射作業津貼等經濟補償，但是基於人道考量，必須予以管制。
此外，也有性別差異，因為女性的卵子細胞是終身的，而成年男性的精子細胞是不斷生成的，某些高輻射作業是禁止女性參加的，這並非歧視，而是人道的保護措施。

四、遏制干預
當核電廠某個區域或整廠的輻射防放超過了原計劃，當局就要採取遏制措施，就像《核子事故緊急應變法》規定的，必須採取非常措施，減少輻射曝露的機率，包括廠內人員撤離，廠外疏散，管制進出，除污，復員等作業，甚至國家都要發布緊急命令，甚至戒嚴，以保障人民生命財產安全。

五、參考等級
當人民員與環境受到非計劃性的曝露（核災），所有的遏制干預措施也無法把輻射降低到計劃內的量，而人民不得不在輻射污染區內生活、工作，所以當局會依據廠內外實際的輻射劑量，制定廠內、廠外的參考等級，予以賠償、補贘或補貼。
就像車諾核災後，歐洲至今仍把一般食品的參考等級訂在每公斤1,000貝克，所以即使車諾比過了30多年，德國、法國出口到台灣的藍莓醬都會有超過500貝克的等級，高於台灣管制的100貝克限值，難道是注重食安的歐盟對輻射管制掉以輕心嗎？非也，這是因為歐盟受到車諾比核災後，土地、水域受到污染，視同核災區，不得不做的處置，否則歐盟都要進口其他的洲的農產品、水才能保證人民溫飽，這樣的成本變得無限大，又不符合第一原則「正當性」，所以把參考等級放寬，這是不得已的做法。

同樣的輻射安全原則，也適用於醫療、研究的輻射防護，這是一個基本的邏輯，和成本效益分析，各國各人的情況不同，很難用單一數字的標準讓所有人都適用。


從輻射安全五項原則看鉀鹽（台鹽健康減鈉鹽）和日本福島污染區食品進口問題

日本核食問題爭議多年，糾纏不清，在我看來，是沒有用國際標準來衡量，同樣的台鹽健康減鈉鹽也是如此。
因為台灣沒有發生核災，到非吃不可的地步，所以不適用第第四、第五原則，但是政府（原能會、衛福部）都是拿第四、第五原則下的管制原則來管制，這是不符合第一條「正當性」的。

我們應該先就「正當性」來審視減鈉鹽和日本核食問題。
某些人因心臟病、高血壓的家族病史，而且要攝取大量的鉀，非吃減鈉鹽不可，他們為了健康，甚至保命，在食用含鉀鹽的「正當性」是足夠的。（其實台灣的食安問題更嚴重，食品的添加劑調味劑，如味精，都是鈉離子，問題不在於鹽的鈉，而在於添加劑中的過量鈉。）
許多心血管疾病專家視食物中的鈉如寇讎，同樣的，也有腎臟權威視鉀鹽如寇讎，這些都還是化學性生效應，並無考慮到輻射的效應。
但是台鹽以「健康」為名，販售「健康減鈉鹽」近二十年，除了台鹽以14倍於一般精鹽價格販售，可獲取超額利益外，是無法找到「正當性」為每公斤8860貝克的鉀鹽自圓其說的，頂多是對少數有心血管疾病，沒有腎病變（台灣每年增加近萬名洗腎病患）的人有幫助。如果符合某些專家所述的對心血管病變的健康效應，就應以「健康食品管理法」管理之，這也符合「正當性」

在日本核食面，不論國民黨或民進黨執政，都在日本政府「文攻武嚇」下，自動主張要開放核食，儘管2018年公投以近779萬比223萬票大幅壓低性的反對核食輸入，但日本外相公然威脅台灣的國際空間地位，這符合「正當性」嗎？
台灣政府一直說日本管制ok的，台灣人就可以吃，就應該進口，而且所有的研究計劃都是用日本的檢測資料，而日本的檢測方法比台灣法定方法粗糙，精度不足，在法律與科學上是不應採用的。
此外日本所設管制規定，是以核災後的情況，也就是用輻射安全標準的第四、第五原則，並不符合台灣現況（未發生核災）。
如果用日本核食來說有些不清楚，用台灣的豬隻口蹄疫來對比，就清楚了。
台灣的豬口蹄疫到今年7月正式絕跡，不再是疫區，但自1997年口蹄疫爆發以來，台灣成為疫區，但是台灣人無日不吃豬肉，也沒有人因吃了豬肉而生病。但日本迄今22年來從未進口台灣豬肉。
日本不進口台豬，是為了保護日本豬農嗎？日本也是口蹄疫疫區，疫區到疫區都不可以，為什麼從日本核災區，到台灣非核災區就可以？

衛福部的食品輻射管制和原能會輻射管制與國際脫軌，這並非一朝一夕所成，而是兩蔣要「核子不要孩子」寧為玉碎不為瓦全的魔咒跨越了半世紀後，仍然陰魂不散，還把21世界20年代的台灣人弄得頭昏腦脹，閉關自守，脫離國際輻射防護的管理軌道。