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/

【推舊文】由物理概念名稱談暗物質與暗能量

讀者朋友如果睇完上星期《真係好科學-暗黑宇宙》，可以睇埋呢篇文🥸

／／暗物質和暗能量相信是少數幾個理論物理中最前沿、而又深入大眾文化中的物理概念。

以我自己科普經驗為例，很多讀者朋友都對有關暗物質和暗能量的研究新聞感興趣。我的專業並非理論物理，對於這兩個高度理論性的題目並不太在行。不過，當我嘗試解答各種關於暗物質和暗能量的問題時，我發現導致概念錯誤的主因可能根本不是讀者的數學、物理背景或程度問題，而是這兩個物理概念的名稱問題。

物理學家與數學家都是人，在表達概念時少不免需要用到文字（這不是廢話嗎？！）。而原來有一個很重要的學術界習慣，很多時候我們做科普、數普時都會忽略：很多字詞在專門研究範疇內的定義，都與一般用法完全不同。

我發現這一點的原因，是我漸漸留意到很多時候我們面對非本身專業的概念時，都會嘗試理解概念名稱的含義。當面對理論物理這一種需要極高數學技巧的概念時，對非專業的讀者來說，能夠理解的大概只剩下概念的名稱。不幸地，從物理概念名稱含義入手分析問題，往往都只會是死胡同，因為支撐物理概念的根本不是語言學，而是實實在在的數學。

暗物質根本不是物質？

物理學家數學技巧可能不錯，但取名技巧就非常糟糕了。暗物質的「暗」與「物質」，有一半是不太正確的。

物理學家早於 1930 年代已經發現了暗物質，不過那時候並非稱為暗物質，而是「找不到的質量」[1]。宇宙間有上億個星系，包括我們居住的銀河系。天文觀測顯示，環繞星系核心公轉的速率太快了，恆星應該會像汽車高速入彎時摩擦力不足而被拋出軌道。換句話說，星系根本不應該存在！

這究竟是什麼回事呢？答案就在萬有引力。既然恆星沒有被拋出星系之外，那麼就必定是萬有引力把它們拉著。然而，即使把一個星系內所有恆星提供的萬有引力都加起來，結果仍然太弱，不足以拉住高速環繞星系公轉的恆星。

質量越多，萬有引力就越強。無論以愛因斯坦的廣義相對論抑或以牛頓的萬有引力定律計算，恆星都實在公轉得太快了。所以物理學家就把那些「多出來的引力」歸功於一些看不見的質量，即是我們現在稱呼的暗物質。所以，暗物質可能根本就不是物質，而是其他一些能夠造成星系恆星公轉速率如此快卻不會拋出星系外的物理效應也說不定。

所以，我們知道原來暗「物質」根本不是我們認識的那種物質。而且，那個「暗」字其實也有點誤導。暗字明顯比喻「找不到」的質量，不過它其實有著更深含義。

暗物質之所以稱為「暗」，當然是因為我們找不到它們。可是，即使它們當真是物質，其物理特性也必然與我們知道的一般物質不同。首先，一個成功的暗物質模型 [2]，必須要不參與電磁交互作用。換句話說，就是與光子沒有互動，兩者互不干涉。這才是它們被稱為「暗」物質的原因，是帶有明確物理定義的。

暗能量根本不是能量？

如果說暗物質是「找不到而會產生引力的東西」，那麼暗能量就是「找不到而會產生反抗引力的東西」。

解釋暗能量的來源，要回到愛因斯坦於 1915 年發表的廣義相對論。廣義相對論修正了牛頓的萬有引力定律，把引力（即重力）描述成時空曲率。愛因斯坦推導出的廣義相對論方程式除了能夠描述宇宙之外，亦得出一個推論：宇宙不是在膨脹就是在收縮。

愛因斯坦不喜歡這個推論，他認為宇宙必須是永恆存在，不會變化的。然而，由於重力只能是相吸的，宇宙必定在加速收縮或減速膨脹之中。因此，在不影響方程式正確性的前提下，他加入了一個常數項，稱之為宇宙常數，用來抵消互相吸引的重力，希望能夠得到一個靜態的宇宙。

可是，宇宙從不用看人臉色，即使你是愛因斯坦。哈勃透過測量星系的距離和後退速率，發現了宇宙正在膨脹，令愛因斯坦收回宇宙常數。

由於重力只會互相吸引，宇宙膨脹終有一天會逐漸減漫至停頓，然後開始收縮。然而，宇宙總愛捉弄人類。1998 年，兩隊天體物理學家團隊 [3] 獨立發現宇宙不單止正在膨脹，而且膨脹正在加速！

大概根本沒有任何人曾經想像過這個現象。只會互相吸引的重力，如何使互相遠離的星系以越來越快的速率後退？這就好像向上拋起一個網球，網球非但不掉下來，反而向天空越飛越快！

物理學家找不到任何已知物理概念去解釋這個現象，因此就把宇宙加速歸咎於「暗能量」。產生暗能量的可能是宇宙常數，但沒有人知道暗能量和宇宙常數究竟是什麼。

再一次，「暗」字表示它不會放出電磁輻射，而且我們對其成分毫無頭緒；「能量」則是比較技術性的描述，與概念「真空能量」有關。而與上述暗「物質」是否物質一樣，我們其實連暗「能量」是否真的是種能量也不知道。

宇宙是場暗物質與暗能量的較量

現在物理學界最流行的宇宙模型是所謂的 Λ-Cold Dark Matter (Λ-CDM) 模型，即 Λ-冷暗物質模型。其中， Λ 指的是宇宙常數產生出暗能量、「冷」代表暗物質的速度遠低於光速、「暗」指不參與電磁交互作用。

暗物質使星系互相吸引，暗能量則使星系互相遠離。因此，研究宇宙裡的星系分佈，就可獲得關於暗物質和暗能量的資訊。

最近，一項稱為暗能量普查 (Dark Energy Survey, DES) 的最新研究 [4] 測量了 2 千 6 百萬個星系的間距，計算出宇宙的成分有 74% 是暗能量、 21% 是暗物質，而剩下的 5% 才是一般物質和能量。換句話說，人類科學文明所知的一切物理和化學知識加起來，只是宇宙間所有東西的冰山一角。

這項也是唯一一個準確度能夠與普朗克衛星 [5] 的研究結果相提並論的研究。普朗克衛星亦是測量宇宙中有多少暗能量和暗物質的研究計劃，不過它用的方法不同。普朗克衛星直接拍攝宇宙嬰兒時期的照片——宇宙微波背景輻射，從而計算暗能量和暗物質的多寡。

兩項研究的計算結果雖然十分接近，但仍有著微小差別。這差別令很多物理學家感到興奮，因為如果屬實，我們就必須重新檢視各種宇宙模型。同時，這亦是科學精神的彰顯。

註：
[1] Neil deGrasse Tyson 談暗物質和暗引力等議題。
[2] 「模型」一詞在科學中亦有特別意義，指描述現實世界中的現象的數學結構。
[3] Supernova Cosmology Project 和 High-Z Supernova Search Team。
[4] 暗能量普查資料量龐大，研究團隊目前仍在不斷分析當中。
[5] 或稱普朗克巡天者。／／

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