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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因為最近好多人在開課教學
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你現在想像的都不是最終的樣子
你要開始後，慢慢pivot才能窺探

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我常常在節目上談
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所以就想說來實驗「Podcast教練計劃」
希望對還在猶豫不前的人有點幫助

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感謝有Hahow上開課的神秘大大
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我花了一些時間調查和蒐集
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【Podcast從0到1的100道難題】

背景瞭解
1 什麼是Podcast
2 Podcast RSS feed是什麼
3 為什麼現在那麼多人開始做Podcast
4 什麼叫做Hosting平台
5 要開始一個Podcast節目，需要經歷哪些過程
6 Podcast的聽眾和其他媒體有什麼不一樣
7 我該如何用Podcast發展自己的個人品牌
8 Podcast跟網路廣播差在哪
9 我該去哪關注Podcast產業的新聞和新功能
10 何時該放棄經營自己的Podcast節目
11 我需要先有粉絲才能開始做Podcast嗎
12 有比較簡單開始做Podcast的方法嗎

設備環境
13 要錄製Podcast要有那些設備
14 沒錢買設備怎麼辦
15 電容式、動圈式麥克風差在哪
16 什麼叫做錄音介面
17 錄音空間好貴，我可以在家錄音嗎?
18 麥克風竟然還有分USB、XLR?
19 怎樣可以避免回音產生
20 錄音環境太吵總是有噪音怎辦
21 如果出外景錄音，建議用什麼設備
22 想要去好一點的地方錄音，有推薦錄音室嗎? (北中南)

內容主題
23 如果節目內容的發想沒有想法怎麼辦
24 節目腳本應該怎麼寫
25 節目更新頻率應該怎麼抓比較好
26 該怎麼邀請來賓上節目
27 邀請來賓的訪稿怎麼寫
28 節目長度怎麼設定
29 如果節目長度太長，應該要切上下集嗎
30 如果同時有很多主題想作，應該找放同一個節目嗎
31 新聞類Podcast內容應該怎麼準備
32 我該怎麼設計一個Podcast的風格和格式
33 節目類型與調性有哪些分類
34 邀請來賓上節目，正式錄音前要先預訪嗎
35 正式訪問前要做多少功課
36 該怎麼最簡單的持續更新不中斷
37 有什麼方法可以讓我快速更新上架節目
38 該花多少時間聽別人的節目
39 我該找其他Podcaster上節目嗎
40 我可以轉讀別人的文章、書籍或創作，做成節目嗎
41 我要怎麼設計Podcast節目的Slogan，並置入在節目中
42 有沒有辦法可以快速發想節目要講什麼內容
43 怎麼尋找適合我的主題

錄音技巧
44 如果另一位主持人/來賓在很遠，有辦法錄音嗎
45 冗言贅字好多怎麼辦
46 錄完後發現聲音好難聽怎麼辦
47 雙人節目、訪談節目，要注意什麼錄音問題
48 遠距錄音，要注意什麼
49 要怎麼避免撞到桌子的聲音
50 錄音該用什麼軟體
51 當我發現自己說錯了什麼，我該停下來重錄嗎
52 如果兩個人講話重疊怎麼辦
53 如果防爆音、防口水音
54 我應該多接近麥克風錄音? 用什麼角度講話?

音樂素材
55 免費音樂哪裡找
56 付費音樂哪裡找
57 製作節目須注意哪些配樂侵權問題?
58 別人節目好多音效很fancy，怎麼做出來的?
59 如果在節目上唱歌、或是翻唱改編，可以嗎
60 我能用Youtube創作者的免費音樂素材嗎?

剪輯技巧
61 剪輯軟體要用哪個好
62 要怎麼去除背景噪音
63 如果一個人講話很小聲，聽起來忽大忽小該怎麼平衡
64 有什麼方法可以快速消除掉尷尬的空白時間
65 節目的聲音要調整到多大才正確
66 我剪輯的程度應該要剪越多還是越少越好
67 外包剪輯給別人該怎麼做? 要花多少錢?
68 什麼是壓縮器? 使用時該注意什麼?

Hosting平台
69 要選擇哪一個Hosting平台比較好呢
70 我需要每個平台都要上架嘛
71 我該如何轉換到另一個Hosting平台
72 如何上架各大平台 (Apple Podcast / Google Podcast / Spotify)
73 有什麼方法可以最快上架Podcast
74 Podcast節目類別設定重要嗎
75 Hosting平台和Apple、Spotify是什麼關係

行銷宣傳
76 行銷應該要經營IG還是FB
77 節目後台的數據怎麼看
78 想要宣傳節目該做什麼
79 我不想花太多錢設計一個Podcast LOGO，怎麼辦
80 我該同時把音擋上傳到youtube上嗎
81 我該花多少時間去聽別人的節目
82 我怎樣增加我的節目排名
83 我如果想要跟其他Podcaster交流，有哪些管道
84 要怎樣增加節目跟聽眾的互動
85 Podcast哪裡可以看聽眾的留言
86 流量一直起不來，遇到瓶頸怎麼辦
87 節目標題怎樣下比較吸引人
88 剪輯完後想做文字稿，有比較快的方式嗎
89 怎麼簡單的設計好看的IG貼文
90 我該開一個臉書社團來跟聽眾互動嗎
91 Podcast節目簡介(show note)文案該寫哪些東西
92 我該寫分鏡表在節目介紹(show note)裡面嗎?
93 該去哪看流量(Apple、spotify、hosting、chartable)
94 Podcast的SEO(搜尋最佳化)怎麼做
95 IG限時動態應該怎麼設計
96 頻道簡介和IG自我介紹該寫什麼

商業模式
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#拿起鏟子

　　【樂器音箱、拾音麥克風與內場監聽、外場公播喇叭間的相對設定原則】(一)

　　在搖滾樂舞台上，多數電吉他手的聲音通常都得透過吉他音箱作播放，再經由一支麥克風拾音，以動圈或電容，甚至絲帶共振方式將震動頻率、強度轉成電子訊號，再輸入至後端Console/Mixer作前級處理，再分線由後級功率放大器驅動內場監聽喇叭、外場公播喇叭作播放。

　　首先，希望各位先了解每支麥克風都有它最大耐音壓範圍(Max dB SPL)值，例如許多中小型PA公司經常拿來一隻幹到底，什麼都要它收的Shure SM57、Beta 58(我現在幾乎不用這兩支就是了)，其Max dB SPL通常認定為150dB (94dB/1 Pascal標準測試條件下)，意味著當樂器音箱輸出音壓在單位距離內超過150dB，麥克風拾音後轉換訊號就是全爆，提供給Cosole、Mixer、Interface的訊源品質就是炸聲。

　　只要樂器音箱播放音壓控制在麥克風標稱SPL範圍內，拾音品質就不會是炸的嗎？各位又得知道每支麥克風都有其最佳化線性工作點，也就是承受多大音壓以及多小的音壓範圍內，其物理拾音的特性失真最低，轉換成電子訊號會最為乾淨，細節最多。基本上，樂器音箱播放音壓「過與不及」都不行，尤其是過大聲，越靠近SPL極限，高低頻拾音越會發生震盪失真且產生迴授Feedback。

　　有了上述概念，各位就曉得吉他音箱的播放音壓大小端看各麥克風是否能在線性工作範圍內拾音，如此一來，才能給予相對乾淨的聲音訊號供後端Console/mixer作前級訊號處理。如果各位樂手無視麥克風的耐音壓範圍，將音箱開得過大聲，提交給Console/mixer的訊號就會是髒的，炸的，想當然爾，內場放出來的聲音品質就會是失真過大，難以聽清楚細節的噪聲，外場喇叭亦然。

　　再說，當樂器音箱開過大聲，不僅僅麥克風無法在線性範圍內作拾音，連帶犧牲掉的還有內場監聽喇叭的播放品質與清晰度，因為當樂器音箱假設開到95dB，內場監聽喇叭最少也要開超過3dB大，樂手才能清楚感受到監聽聲是從面前的內場喇叭傳來，而非發自背後的樂器音箱。然而，這98dB的播放音壓值還只是最低限度標準，並考驗樂手的耳力。別忘了，當大口徑單體的監聽喇叭輸出超過98dB，其單體是否能以最少盆分裂失真等各失真方式作線性播放呢？如果多數喇叭達不到輸出大又失真低的極端要求，樂手又想要將樂器音箱開得很大聲，最終當然無法聽到內場喇叭傳送清晰的聲音。因此，如何讓樂器音箱以適當音量讓麥克風拾音維持線性工作，讓內場喇叭的播放音壓降低，單體收放工作時的負擔與相對應的各種失真降到最低，以取得更清晰的監聽品質，這是內場Setting時的最基本要求與最重要觀念。

　　尤有甚者，請試想在舞台上．您背後的樂器音箱開到95dB以上，您面前的監聽喇叭得開到98dB以上，貴團其他團員也與您一樣，音箱同樣開得很大聲，內場喇叭又要壓過音箱輸出音壓，在這個「比大營」的內場舞台上聽到的整體聲音肯定是鬧哄哄一片，吵到表演結束您耳朵肯定嗡嗡作響，遑論聽到清晰的監聽音質。

　　因此，在作內場Setting時，我會與多數樂手，尤其是剛開始表演的年輕樂團樂手溝通樂器音箱的音量設定要適中。怎樣才算適中？由Soundman決定麥克風拾音訊號強度是否充足，品質是否夠好，動態呼吸範圍是否夠大？若麥克風拾音訊號過強或過弱，再來調整音箱的「Volume」大小。至於「Gain」，基本上，我光看各位琴的型號，線圈設計，就知道多少Gain負載增益是最好的，這個沒有一定法則，真的就是場子作多，琴碰多，就知道哪把琴的輸出特性是怎樣。

　　最後，還要提醒各位樂手一件事：當初步內場監聽設定完成，開始表演，若發現內場喇叭監聽品質不夠舒服，不夠清楚，不夠滿意，切勿自行調整樂器音箱與效果器上的Volume、Gain (音色EQ與其他音效效果參數則可適量微調)，而是該請Soundman將內場監聽喇叭推大聲，否則，外場喇叭原本設定好的整體平衡感會被您貿然舉動給破壞，您的琴聲會忽然壓過其他配器、人聲，更嚴重的是訊號過強，麥克風Overloading，聲音品質就又毀了。

　　先簡單講到這，還有其他觀念如如何針對不同樂手彈奏特質、樂器音箱特性搭配拾音麥克風，效果器設定與內場監聽品質的關係等觀念，有空再來慢慢寫，各位有任何想法與經驗或疑惑要分享，請在底下留言，但我可能無法立刻回，因為得來趕有錢賺的稿件了。

　　以上內容僅代表個人經驗、觀念與方法，各位有權質疑或選擇相信，但我鼓勵各位隨時當個懷疑論者。