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/

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懸吊系統也都為前後獨立式的輕量化彈簧支柱，
附帶的主動式調整系統可將車高降低30 mm
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讓車主可以完整的掌握車輛主控權
機械式的差速器還具備扭力分導系統，
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兩車型擁有相同的底盤及動力系統
與相當接近的性能表現，
復古情懷 與 競技熱血 大家會選哪一個呢？
（by海莉）

#全民瘋車Bar
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麥當勞+超商減肥計劃 告一段落總結：
對這個感到不可思議 40多天 -8KG的朋友可以來看一下，包含抽血數據，一個月前的滿江紅再一個月後都幾乎改善了。（期間 #臥推 #硬舉 #深蹲 重量還破PR，純重訓,無有氧&間歇）。
四肢肌肉量其實沒改變太多，主要少掉的肌肉量全集中在軀幹的部份，經事後討論，應該是因為核心訓練菜單因環境因素被迫改變的關係。
本次專案計畫，主要是想讓大家了解，透過 #個人化的運動營養
你在減重期間能吃的，可以吃的，其實沒有你想的那麼嚴苛，而且因為 農經金正恩表示希望以較貼近一般人的生活方式進行，因此也不是以最高效的方式進行計畫，但無論速度快慢，讓專業且有實務經驗的運動科學背景營養師與你共同討論安排出一個可行的計畫，是遠比照著別人菜單吃來有用許多。
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#運動營養師
#增肌減脂飲食服務
#促進運動表現飲食服務
#營養品諮詢
#SportsNutrition #SportsDietitian
#MuscleGain #FatLoss #Training #Nutrition

[麥當勞減脂計畫-總回報+體檢回報]
這次計畫只進行到1/3就喊停了
-身體&訓練資訊-
日期:2018/2/8~2018/3/26
天數:46天
體重全距:(108.3kg-100.7)
體重均重最後均重:101.2kg
每日平均花費:409元~529元
總熱量赤字累積:-20,286
腰圍:106.4cm->97cm
體脂肪重:32.9kg->27.9kg=-5kg
肌肉重:43.6-42.1=-1.5kg
臥推PR:120kg->140kg
深蹲PR:150kg*5(1RM=171.4kg)->180kg*4(1RM=200kg)
硬舉PR:150kg*5(1RM=171.4kg)->180kg*6(1RM=211.8kg)
有無有氧:無
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-血液報告-
https://imgur.com/a/WnZzwXj
請直接看圖，因為項目太多了
只單列出有第一次驗為紅字的
ALT/SGPT 肝酵素:H 57 -> 26 U/L
Uric acid 尿酸:H 8.4 -> 7.5 mg/dL
Cholesterol 膽固醇:H 235 -> 184 mg/dL
LDL-Cho 低密度膽固醇:H 159 -> 118 mg/dL
Amylase 澱粉酵素:L 27 -> 27 U/L
Testosterone 睪固酮L 223 -> 324 ng/dL
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-InBody 請見圖-
https://imgur.com/a/WnZzwXj
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心得:
這次計畫真的很感謝 運動營養師 楊承樺的專業諮詢，老師的宗旨與理念就是壓力管理與找出個人最適的方法，與經濟學的最適市場價量，剛好不謀而合。說真的，一定要找專業的營養師或者教練搭配，才能夠真正無害的減重。
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這次計畫當然是以失敗收場，這次失敗的原因就在於本人因理念不合離開了前公司，想聽八卦的自己私底下問我XD我這邊就不贅述，不說好話也不說壞話，這是我最大的情義了。生活上有重大變革的時候真的不太適合進行各種計畫，因為環境與生活作息皆會有很大的改變。再者也沒有多餘的時間去控制自己的飲食(好，我知道是藉口XD)，然後本人創業去啦，希望真的能改變台灣的整體運動風氣，更希望能建立一些基本的科普常識，不再讓民眾覺得重量訓練是一件很恐怖的事情。
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希望我自己新公司能趕快站穩腳步，再來玩玩各種新挑戰，謝謝大家的支持，影片最近有衝到1000以上的觀賞次數，也在健身房被認出很多次，真的很謝謝大家，我的臉不笑真的就是天生臭臉，希望不要被我嚇跑QQ，以上，祝大家所有計畫都成功!然後不要再相信三小X天瘦身的鬼話，叫他們把飲食紀錄跟所有體檢報告PO出來戰一下Rㄏㄏ。

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館長X健體職業選手IFBB PRO 大H

主演
陳之漢、陳建昕
企劃/製作人
林文宇、李鎗
攝影群
陳裔勳、林大宇、謝子揚
助理群
黃偵威、郭博軒、葉榮謹
後製剪接/設計
林大宇
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