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/

資金寬鬆依舊，台股先蹲後跳無須悲觀
股市大跌百點，專欄勝率還是超過9成；準備布局群創(3481)、中碳(1723)
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全球景氣復甦，股市回檔只是修正波
美國經濟持續復甦，物價指數卻未如預期般上揚，美國聯準會（Fed）主席葉倫對此甚感疑惑，但對經濟前景深具信心，決定持續朝利率正常化目標前進，宣布維持聯邦資金利率目標區間在1.0%至1.25%不變，並於下個月開始縮減資產負債表，從2008年金融海嘯以來，為了壓低借貸利率與刺激經濟成長，Fed推出購買債券資產的QE特別刺激方案，使得資產負債表快速擴張，到2014年停止購債後資產負債表已膨脹至4.5兆美元，現階段將透過債券到期不再投資的方式進行縮表，一開始每月縮減幅度為100億美元，接著採逐季增加100億美元進行縮表，到明年第4季每月縮表幅度來到上限的500億美元，直到數年後Fed整體資產負債表規模縮小約1兆美元以上為止，雖然美國貨幣政策邁向緩步緊縮，預估今年年底將再升息一碼、明年升息3碼，若沒有任何意外，明年美國利率將提高至2%，從歷史上來看，美國利率依舊偏低，此外，歐洲、日本央行仍持續採取接近0%的超寬鬆的貨幣政策，未來歐洲、日本要恢復利率正常化，照美國升息的經驗，應先停止QE貨幣政策後，才開始緩步調升利率，全球都要恢復利率正常化，預估至少要3年的時間來完成，除非這三年間出現惡性通膨，各國央行為壓抑通膨，快速提高利率，否則未來三年國際資金仍然充足，任何股市的修正只是反映投資人信心偏向正面或負面，而全球景氣逐漸復甦，投資人的信心轉強只是早晚的事情，對於短期股價的修正投資朋有無需過度擔憂。
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美國緊縮資金；國際資金大砍亞洲股市
美國再度緊縮資金帶動美元上漲，市場再度預期美元持續緊縮下，有利於美元升值，可望吸引國際資金重回美元懷抱，帶動美國道瓊股市不斷再創新高，相對的亞洲股市因此到壓抑，本周亞洲股市普遍收黑，外資連續兩周大幅賣超台股394億元，三大法人合計賣超478億，台股本周連續失守月線與季線，技術線型呈現價跌量縮的整理格局，仔細觀察從去年新政府上台開始，台指每次技術指標MACD跌破多空分界線時，其所對應的低點，呈現逐步墊高的多頭走勢，將其低點相連，大家會發現目前為止從未跌破此趨勢線，依照目前的位置觀察，只要指數不要跌破10350，短多格局仍值得期待，從籌碼面來看，本周台灣央行理監會宣告利率連五凍漲，台幣資金維持寬鬆貨幣政策，外資大賣台股，新台幣貶值幅度卻有限，融資融券餘額逐步升高，股市熱絡程度超越過去三年，未來預估台灣今、明兩年經濟成長率分別為2.15%、2.2%，經濟展望佳，加上新任閣揆積極面對台灣五缺問題，軍公教加薪帶動企業加薪，有助於民間消費，相信明年經濟成長率將可高於預期，股市短暫的下跌只是多頭正常的修正，蹲下來是為了跳更高，建議投資朋友可以尋找相對抗跌的個股進場投資。
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電子原物料、電動車相關類股值得大家挖掘
上期有跟大家提到全球天然災害頻傳，主要原因為環境污然所造成的氣候變化，為降低人類活動對氣候影響的衝擊，全球先進國家主導巴黎氣候協定，節能減碳是不變的大方向，未來將逐步淘汰汽油燃料車改採電動車，法國、德國與印度等大國以明確立法淘汰汽油車，電動車是未來的主流方向，從台股的盤面上個股也可以發現這個趨勢，電池正極相關類股康普(4739)、美琪瑪(4721)為特斯拉供應鏈的一員，股價今年以來大漲超過兩倍，而電池負極類股中碳(1723)股價尚未發動，可持續觀察，若未來出現爆量不跌，值得大家長期布局；電動車及車用電子需求高成長，傳統12伏特電源管理系統已無法支應應用日益增加的車用電子需求，為因應電動車及智能車需求，歐美車廠開始將汽車電源管理系統從12伏特大舉拉高至48伏特，導線架廠—順德(2351)與鋁質電解電容廠—立隆電(2472)也是盤面上的強勢類股，值得短線投資人關注。
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群創預估明年現金殖利率高達10%；短線交易人千萬別錯過
車用顯示器隨著先進駕駛輔助系統(ADAS)的安裝普及，ADAS中所有偵測及通訊的資訊顯示都必須仰賴面板，使得全球車用面板市場前景看好，根據光電協進會指出，2016年全球車用面板出貨成長7.7%，未來電子後照鏡、抬頭顯示器等應用將快速成長，加上顯示螢幕朝大尺寸發展，預估未來5年車用面板將維持9%的年年平均成長率，國內面板雙虎群創(3481)與友達(2409)策略性不與韓國大廠競爭OLED面板，深耕LCD高階市場，近年來開拓汽車市場有成，2016年市佔率超過三成，其中群創去年全球車用面板市佔率高達18%，位居全球第二名，僅次於日本JDI，客戶群涵蓋積架、福特、特斯拉、BMW、保時捷等國際一線大廠，此外群創更拔得頭籌，率先量產車載前裝區面顯示器，應用在未來電動概念車之中，未來有望成為全球車用面板龍頭廠；從基本面來看，群創去年第三季開始擺脫虧損，連續三季EPS大賺超過1元，今年前兩季EPS高達2.41元，7月、8月營收也未見明顯衰退，保守估計今年EPS有望超過4元，若配發50%的股利，以目前的股價來計算，現金殖利率將高達13%，另外，蘋果IphoneX採用OLED面板後，韓國大廠三星將原來的LCD產能轉往OLED，加上大陸面板廠良率不足，與年底旺季效應，面板價格展望佳；惟從技術分析來看，長期投資的點位尚未出現，若要投資只能採取短線操作的方式進行投資，群創股價大漲、大跌波動率極高，線形拉長來看還是屬於緩步墊高的多頭格局，本周一台股大漲出現大紅K的攻擊訊號，可惜攻擊無力，周五價格回到14.55元附近，盤整區間應該在14-15之間，若未來股價能突破15.4元，將是一個不錯的短線攻擊訊號，可將停損點設為14元以下，現階段長期投資標的較少，真的很想操作的朋友，建議採取短線交易的投資方式進場操作。