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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以下為本段內容文稿：

就在上個月，我們才剛剛結束的2018年的金馬獎頒獎典禮，有一個獎項，叫做『最佳貢獻』的得主，叫廖慶松先生。

或許你知道他是一個剪接師，但你可能不知道的是，他沒有顯赫的學歷。然而在這樣的背景底下，在二十多年前，在國內的各大專院校，電影的相關科系，卻都有他教學的身影，至今桃李滿天下。

一般來說呢，在大專院校裡面，無論擔任講師啊、助理教授，最起碼都要有碩士以上的學歷。

那特別是在二十多年前，那個時代仍然是很重視學歷，而有一點輕忽實作，那「廖桑」的例子，還是很令人感覺到意外。


其實呢，廖桑他以長年投入在剪接工作，的實際的操作經驗裡面，他的「實務」早就超過了那些「理論性的知識」。那麽究竟「實際操作」的一個價值跟理論，到底要怎麼樣去看待？

我們在面對自己的人生面裡的時候，我們要怎麼樣來幫自己，安排一個更適當的腳步？我就透過這個例子，作為一個開頭。今天要跟你講一個，你可能都知道，但是，你從來沒有這麼想過的一個故事。

這個故事是這樣喔，飛機的發明者，是萊特兄弟嘛。那他們的「飛行者一號」這個航空器，是絕大部分的人都認同，在地球上第一架有自己的動力，而且試飛成功的飛機。

然而，很多人不知道的是萊特兄弟，他們其實連高中文憑都沒有拿到。而他們能踏上研發飛機，的這樣的一個契機，是從一八八八年開始。

那個時候呢，萊特兄弟為了幫他們的父親，去趕製教會所需要的手冊。他們呢，就合力把一台舊式腳踏車，絞鏈啊、彈簧啊，這些機械設備拆下來。

然後，再按照自己對機械的熱情，跟「動手做」的精神，找了一堆破銅爛鐵，組合出一台很陽春的影印機。

但是，令人意外的是，這一台影印機運作的非常好。他們不僅幫自己的父親，解決了問題；他們還順勢開了自己的印刷廠，做起了生意。

就這樣子過了幾年，那個時候世界上，推出了第一輛現代概念裡面的腳踏車、單車，這讓萊特兄弟熱愛機械跟改造的創作魂，有了發洩的新出口。

他們無時無刻都在想，怎麼樣讓這個單車，變得更容易操控、更符合機械的力學，去提升騎單車的整體體驗。

甚至於，他們打造單汽缸的引擎，作為動力的來源，還成為那個時候業界競相學習的一個指標。

可是呢，發明飛機跟改造腳踏車，這根本是天差地遠的兩回事嘛！尤其在十九世紀末，那樣的一個背景底下。

那個概念就像是喔，我們現在一般人，沒有經過特殊的學習跟訓練。你要開始去想、你要開始動手，去設計AI人工智慧，差不多的邏輯啊！

這不僅是全新、未知，而且那個知識領域的跨度，真的是非常非常大。那對於沒有任何學術、理論知識的萊特兄弟來說，這真的非常的困難，有如登天一般啊！

但是，就在這個時候，第三個契機來了！一八九六年的時候，萊特兄弟，他們看到一個滑翔翼的設計師，墜落死亡的新聞。這對於當時，還沒有征服天空的人類來說，這是一個很震撼的新聞。

他們初次見到，這個滑翔翼的飛行器的這個照片，這讓他們想到，史前巨鳥的那個翅膀。那事實上呢，會出現滑翔翼的設計師，這代表當時正是一個在航空領域，大家要去做軍備競賽，那樣的一個時代。

各方面的人馬跟專家，他們都想要奪得，率先發明出人工飛行器，這樣的一個桂冠，史上留青史嘛。那熱衷機械跟研發的萊特兄弟，他們當然也想要參與，而且也想要贏啊！

這一個競賽，開什麼玩笑！成為史上第一人。於是呢，他們就開始想辦法找資料，每天埋首在物理啊、數學啊，這些領域。

他們甚至於因為滑翔機的靈感，然後，開始把鳥類的書籍，也納入了參考書目裡面。而且實際的去觀察、研究鳥類是怎麼飛行的，他們怎麼振翅？然後，怎麼樣起飛、怎麼樣降落？他們用土法煉鋼的方法，默默的參與這一個競賽。

那個時候跟本沒有人知道他們，也沒有人認為，他們會是拔得頭籌的人。那個時候，多數投入這一場競賽的，都是一些滿肚子的專業知識、這些理論大師，這些叫的出名號、顯赫文憑的這些專家。

那他們都認為，飛機的原型一定是要用某種強力的引擎，先把飛行器送上天空，然後在天空上保持穩定，然後用這樣的一個概念跟邏輯，維持長時間的飛行。

但是事實上的結果是，這些理論跟知識來打造出來的飛機，他們導致了很多失敗的結果。墜機的墜機，死人的死人喔；讓飛機的一個研究，陷入了很大的膠著。

這個時候呢，我就想起一句話喔，這句話我也常說，叫做「別在錯的地方裡，想找對的答案；否則喔，你做的一切努力，只會讓你愈努力愈挫折」。

萊特兄弟他們知道了，這些實驗失敗的原理跟理論之後，他們對照了自己親手打造、改良單車的這樣的經驗。從高級知識份子的這些理論裡面，他們發現有一個邏輯上面的重大錯誤跟盲點。那就是喔，他們都太過重視飛行器的穩定度！
在那個時候的專家、學者，他們把飛機想像成飄浮在半空中的船隻。他們用這樣的類比，所以他們會覺得船隻的設計，是要維持在水面上的平衡。因為這樣的概念，飛行器就必須要保持平穩的直線移動。

對照於我們真實在騎腳踏車的時候，會「左搖右晃」這樣的概念，在這些所謂的專家，他們的判斷裡面喔，會在空中造成非常大的危險。

但是，萊特兄弟從觀察鳥類的飛行，再加上他們本身，對於改造單車多年的實作經驗，他們重新開始思考這個問題。

這些專家、這些學者，他們原初的假設，他們認為這種所謂的「左搖右晃」，這樣的動態平衡。是不是這樣的思考，才是對的；而這些專家，原本的相信才是有問題的呢？

因為他們認為呢，鳥類的飛行和單車的原理其實是很像的。鳥類跟騎單車，從來不是追求四平八穩，而是必須在動態當中保持平衡，是一種「不穩定的動態平衡」。

就像是我們騎單車，或者是鳥類的飛行，都是隨著路況或者是氣流，利用傾斜來靈活控制轉彎，而不是死死的釘在那裡不動。我們轉彎是不是這樣子轉彎？不是這樣子轉彎嘛！

那有了這樣的「重新假設問題」的概念，萊特兄弟他們很實際，他們先設計各種風箏，然後去釐清怎麼樣的形狀，是最適合做為機翼的。

然後按照他們實驗的結果，去做出一些原型，不斷的測試。他們試飛的次數，其實遠超過在同期，那些很有錢、很有理論架構的個人，或者是那些研究機構。
最後我們都知道喔，他們發明出了飛機。這樣的概念就好像是，一個沒有相關文憑，沒有任何資訊背景的人；他去設計出一個AI的跨時代的運用。成為殺手級的運用，而且遍及全世界的運用。

你會覺得這哪有可能嘛！他是不是最起碼，要有一些資訊科技的能力？對啊！在萊特兄弟他的時代裡，那些研究機構，或者是那些很有名、學問很高的人，看起來他們兩個就是這樣的感覺。

他們完全想不出來，這兩個完全不懂得工程學和航空學的傢伙，他們是怎麼樣能夠拔得頭籌、製造出飛機的？！

所以，透過萊特兄弟的故事，我們可以知道，實際操作的經驗結晶，絕對不比理論架構來的低階的思考。相反的，這些務實操作它反而是很多的新科技，和創造力的最重要的源頭。

正在觀賞影片的你喔，如果正好是一般世俗所謂的，功課好、聰明的那些「學霸級」的人物，或許你可以思考一下，太會讀書、考試，到底帶給你的是助力，還是阻力呢？

當你已經先「假設」了什麼才是「正確的答案」，是不是就很容易忽略「實作」的價值。甚至於呢，在錯的前提底下，進行很多其實是徒勞無功的「思想討論」。

真正能幫助我們解決問題的，永遠是實作的價值！透過實作的回饋，你才會知道真正的關鍵在哪裡？哪裡才是你需要在乎的？

然而更重要的是，有什麼原本的假設，需要被挑戰、甚至於被推翻？就像是把飛機當成是「漂浮在空中的船隻」，這個假設顯然是錯誤的。過去也因為這個假設，很多人投入了很多錢而不成功。

然而萊特兄弟，就是沒有被這個假設困住，所以他們才發明出飛機，這個劃時代的產物。

所以呢，無論你想要從事任何創造，或設計的工作，請你務必記得「實作永遠比知識來得更為重要」，否則喔，你會看不見整體的真實狀況，滿頭滿腦的讓你的專業知識，變成是框住自己的天敵，阻礙了你成功的可能性。

希望今天的分享，能夠帶給你一些啟發與幫助，我是凱宇。

如果你喜歡我製作的內容，請在影片裡按個喜歡，並且訂閱我們的頻道，別忘了在訂閱旁邊，有一個小鈴鐺按下去，這樣子你就不會錯過，我們所製作的內容。

然而如果你對於啟點文化的商品，或課程有興趣的話。如同我今天談的，這個主題『學霸的天敵』，我們談實作的重要。

很多東西不是靠思考，不是靠看書就能夠幫助你前進；你得行動，你得真實的踏入教室，透過我們面對面、手把手的前進，你才會有真正的前進。

而且我更知道一點，就是畢竟喔，進教室會有一些時間跟空間的限制。所以，我在這邊也答應大家，我會很努力的製作一系列的「線上課程」；透過網路的工具，你我可以在線上相會。

那如同今天談到的「實作」的價值，我在這一點，已經開始在「實作」了。沒有意外的話，我們會在2019年1月份，推出相關的課程。

希望透過我們線上的學習，能夠幫助你生命到達另外一個高峰，不斷的創造生命的可能性。

在這邊做一個小小的預告，請期待明年1月份，我們推出的關於怎麼樣進入實作、怎麼樣管理你的效率？這樣的一門線上課程。

所以無論你是會進啟點的教室，還是在線上跟我相會，我都很期待，你能夠在你生命當中，透過實作創造更多的可能性，謝謝你的收看，我們再會。