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/

"Carb cycle 碳水循環法操作介紹"

“這是個能減掉體脂的方法但是不見得會健康”
而且只會專注在巨量營養素的部分 微量營養素不探討
那就不廢話直接開始

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☆碳水循環法是什麼東西

Carb Cycle算是現在滿多選手用的減脂方法
藉由計算總熱量並且對碳水化合物攝取量進行調控
來達到減脂的效果

“carb cycling通常會有高碳日與低碳日
甚至會有無碳日
高碳日除了總熱量會高一些 碳水化合物的比例也會比較高
反過來低碳日比較大比例的能量來源來自脂肪”
無碳日不討論 我用的方法只分高低碳而已
如果有興趣的人可以自己去搜尋各種carb cycle的配方

減脂用的Carb Cycle總熱量會低於TDEE
基本上都是用熱量赤字在減
因為熱量如果有赤字 就不得不消耗自身儲存的能量來源
應該不難理解

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☆☆Carb Cycle使用流程

之前有很多人說寫的太難
所以這次我幫大家先整理一下流程

1.摸摸自己的肚子，然後默默去鏡子前拍張照。
2.量個體重，粗略估算一下體脂率。
3.去用TDEE calculator的網站估算自己的TDEE。
4.打開excel，把carb cycle算式打上去，並輸入自己的數值計算出營養素的需求。
5.算出高碳日與低碳日共2組的碳水化合物、脂肪、蛋白質每日攝取量，依照當天高碳或者低碳去實行配額。
6.過了一段時間記得reset一次TDEE，因為身體組成已經改變，必須再重新修正TDEE。Excel公式建議打好不要變成純數字，這樣日後只要把數字key進去就可以直接算出新的配額。
7.幫我分享。沒，被盜。

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☆☆☆Carb Cycle的操作方式

以下我會分享自己用的配方跟計算方式
單純舉個例給大家參考

首先估算TDEE(Total Daily Energy Expenditure) 即一天熱量總消耗
輸入自己的一些身體資訊跟運動強度頻率
用計算機可以大概估出一個值
網站都幫你找好了
https://tdeecalculator.net/
計算機到處都有 找一個你想用的算就好

再來 就是計算macros(Macronutrients) 巨量營養素
簡言之就是碳水化合物 脂肪 蛋白質
以下C簡稱碳水 P蛋白質 F脂肪
前面提到分高碳日跟低碳日
接下來 很重要
看清楚

我用的方法是高碳日攝取"90%TDEE的熱量"
也就是前面計算機算出來的東西
乘以90%
低碳日則是攝取75%TDEE的熱量

接著 計算碳水化合物
高碳日的熱量50%來自於碳水
所以"碳水化合物克數"為(TDEE*90%*50%)/4
而低碳日的碳只佔熱量的20%
克數為(TDEE*75%*20%)/4

蛋白質的部分 直接去查表
看運動強度跟運動項目來決定吃多少
有健身的男性親友直接每天每公斤體重2g
但是考量到C圈很多沒真正訓練的男生跟妹子
男的可以1.7g/kg/day 女生抓個1.5g/kg/day
不放心可以去查ACSM或其他協會的建議
運動生理的課本應該也都有

最後是脂肪 這個最簡單
把前面碳水化合物跟蛋白質的熱量扣除
剩下的能量全部靠脂肪提供
如果以一個體重ξkgw的微(?)健身男性來講
他的高碳日脂肪攝取量就是(TDEE*90%*50%-2ξ*4)/9
低碳日則是(TDEE*75%*80%-2ξ*4)/9

大家可能覺得很複雜
沒關係 我幫大家都算好了
mcaros每日攝取量如下

○高碳日
C (TDEE*90%*50%)/4 g
P 體重公斤數*(1.5~2不等,自己查表) g
F (TDEE*90%*50%-P*4)/9 g
○低碳日
C (TDEE*75%*20%)/4 g
P 體重公斤數*(1.5~2不等,自己查表) g
F (TDEE*75%*80%-P*4)/9 g
丟進excel算比較快

算完以後
就要排高低碳日
我會建議三低一高或者三低二高
舉例來講 如果我三低一高
那就是四天一個循環的週期內
我其中一天高碳 剩下三天全部低碳

然後 由衷建議如果你有運動
把運動當日排到高碳
如果你幾乎每天運動 就把最高強度的訓練日排高碳

碳循環的用法到這裡
接下來介紹IIFYM

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☆IIFYM(If it fits your macros)

這個縮寫其實就只是告訴你只需計算營養成分配額
你只要吃的東西有fit到算好的C P F就好
吃什麼食物都隨你便 包含雞排

舉例來講 我已經把每天的碳水 蛋白質 脂肪quota都算好
今天我就吃這麼多
至於我要吃什麼 都OK
只要你有本事算好每個吃進去的東西的營養成分。

“把一天吃的量剛好控在額度內
吃了什麼東西有多少營養成分都算清楚
沒標示就上網查自己估算
吃了就把扣打用掉”
對單純減脂來講吃什麼都無所謂
當然垃圾食物我不建議吃 but吃不吃取決於你
附上我愛用的肉類營養標示網站
http://tsaijj11.pixnet.net/…/28305286-100g%E7%86%B1%E9%87%8…

簡言之 就是你一天能吃的養分就是算出來那樣
吃什麼都可以, if it fits your macros.

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☆熱力學第一定律

身為一個化學系學士跟準碩士 當然要扯一點熱力學
熱力學第一定律告訴我們dU=δq-δw
或者寫成ΔU=Q-W
亦即內能變化量為吸收熱量扣掉對外做功

內能變化就是身體組成改變 舉凡增減肌肉脂肪糖原等都是
吸收熱量自然是吃進來的養分
而對外做功就是維持身體機能跟身體活動消耗的能量
用熱量赤字來減脂就是熱力學第一定律的應用

如果吸熱扣掉對外做功的量是負值
那麼內能必定減少
也就是身體必須用掉某些身體組織或儲存的能源來支付這個能量負值
但是這不能保證都減到脂肪
只是脂肪跟血糖肝醣的使用優先順位高於蛋白質
所以基本上可以減脂 只要體脂率還沒低到極致的話

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歡迎轉載 不過我懶得回答問題
拜託自己好好看完
就算都不懂也能照著操作

最後本人無限期支持熱力學第一定律🐰
認同請分享🤤

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2018 年 3 月 14 日，英國天文與理論物理學家霍金（Stephen William Hawking，1942 年 1 月 8 日至 2018 年 3 月 14 日）逝世。順便一提，雖然一年中的每一天都有無數的名人誕生和逝世，但是 3 月 14 日是個非常特別的日子，因為和霍金同等級，甚至更高等級的人物，發現相對論的愛因斯坦（1879.3.14-1955）、馬克思主義的奠基者卡爾馬克思（Karl Marx 1818-1883.3.14），都在這一天生或死。

馬克思的共產主義迄今依舊影響全世界的人們，是票選 19 世紀影響世界最深遠的人物，而愛因斯坦則是《TIME》雜誌票選影響 20 世紀人類最深遠的人物榜首，同樣身為 20 世紀最偉大的物理學者霍金逝世於 3 月 14 日，不能不說是上帝在冥冥之中自有安排。

為了紀念霍金逝世一週年，英國皇家製幣局推出霍金的 50 便士紀念硬幣。由設計師 Edwina Ellis 設計，他從霍金最出名關於黑洞的研究中發揮靈感，將整枚硬幣設計成黑洞的條紋形狀，正如霍金所說的：黑洞連光都逃不出去，但黑洞並不是全黑的，在黑洞視界以外的觀察者無法利用任何物理方法獲得事件視界以內的任何事件的資訊，或者受到事件視界以內事件的影響，這或許也成為設計的靈感。

另外，硬幣上方刻印著 「S=kc3A/4ħG」為黑洞熱力學中的黑洞熵視界面積公式。其中，「ħ」為普朗克常數（h）除以2π，c 是光速，k 是玻耳兹曼常數，G 為牛頓引力常數，霍金用這個公式來說明：黑洞輻射乃是一種量子效應，更讓廣義相對論和熱力學、量子力學結合在一起。