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#黑科技

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/

你知道嗎？【Nokia 3310為什麼那麼耐用？】
#本日冷知識1547

大家好，我是Mr Holiday。

相信有經歷功能型手機的人都還記得芬蘭廠商Nokia的經典手機Nokia 3310吧？
這個當年的神機，最有名的就是他非常耐用，不太容易壞。

網路上甚至還有各種虐待3310的測試影片，要測試這支手機有多耐用，我就不在這裡分享了。

Nokia這間公司是在1865年在芬蘭成立的，一開始是做造紙的。而我們熟悉的現代Nokia是在1967年成立的，由Nokia公司、芬蘭線路公司（Finnish Cable Works）以及芬蘭橡膠公司（Finnish Rubber Works）合併而成的。

這個新公司除了紙業之外，還跨足：輪胎、橡膠鞋、通訊線路、電視、消費電子、電腦、發電機、電容器、塑膠、鋁品、化學材料，以及軍用設備。

對，沒錯，當時Nokia負責芬蘭軍方的通訊設備Sanomalaite M/90，可以傳送加密的文字訊息，還有軍隊用的M61防毒面具。

或許是過往製作軍用品的經驗，或許有助於Nokia在製作手機的時候，可以造出很難摔壞的手機也說不定。

Mr Holiday有找到幾個說法：
1. 當初Nokia用了比較好的塑膠機殼，加上3310外機殼是可以拆卸的設計，所以機體本身跟機殼中間有空隙可以保護手機。
2. 當時手機的螢幕也比較小，而且非觸控式螢幕上不會有玻璃，自然也不會有螢幕碎裂的問題。

整體來說，當時3310的防護功能就類似現在的強固型智慧型手機那樣。

而沒有抓到智慧型手機風潮的Nokia，直到2019年才推出第一款強固型智慧型手機Nokia 800 Tough，這支手機有或許比3310還是耐用，但是在消費者心目中，最耐用的Nokia手機可能還是永遠的3310吧？

本篇冷知識由Nokia沒有贊助提供。

我們下次見！

[Mr Holiday]

資料來源：
1. Wikipedia: History of Nokia
2. Why the Nokia 3310 was so strong compared to phones now and even phone at the same time.
https://www.reddit.com/r/explainlikeimfive/comments/cbeq8f/eli5_why_the_nokia_3310_was_so_strong_compared_to/

圖片來源：
Nokia 3310, beloved and 'indestructible' mobile phone, 'to be reborn'
https://www.theguardian.com/technology/2017/feb/15/nokia-3310-beloved-and-indestructible-mobile-phone-to-be-reborn

#Nokia #Nokia3310 #Functionphone #cellphone #mobilephone #strong #indestructible #phone #finland #ruggedphone #MrHoliday

戴森球或是軌道電梯只能擷取太陽能
而#核融合 反應爐則能在你家裡種一顆太陽
這次影片主要講的，是電漿拘束核融合反應爐

戴森球?用巨大的空心球體包覆整個太陽
https://youtu.be/tcLa_H9kcBM

地熱導線與軌道電梯?
石磨烯可以怎麼改變地熱發電與太空太陽能
https://youtu.be/nNk0KIYP8bg

ITER的托克馬克裝置是怎麼承受1億5000萬的溫度的?
超導體與超級電容器是怎麼成就了今日的核融合反應爐?

德國的仿星器Wendelstein 7-X相對於托克馬克反應爐
究竟有甚麼決定性的優勢呢?

其實我對於仿星器的描述不夠完整
除了對受控電漿的磁力線密度更高
還有其他因素使他更勝普通的托克馬克
可以看看這個影片瞭解更詳細的資料
https://youtu.be/vqmoFzbZYEM



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