基本介紹

人造肌肉又叫電活性聚合物，是一種新型智能高分子材料，它能夠在外加電場(chǎng)下，通過(guò)材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的改變而伸縮、彎曲、束緊或膨脹，和生物肌肉十分相似。醫(yī)學(xué)上，人造器官是指能植入人體或能與生物組織或生物流體相接觸的材料，有天然器官組織的功能或天然器官部件功能的材料。根據(jù)制造器官使用的材料以及其功能科學(xué)將人造器官分為三種：機(jī)械性人造器官、半機(jī)械性半生物性人造器官、生物性人造器官。其中，前兩類型種的人造器官移植后會(huì)讓患者產(chǎn)生排斥反應(yīng)，對(duì)受體來(lái)說(shuō)，適無(wú)副作用的是最后一種也就是生物性人造器官。

人造肌肉狀材料是根據(jù)生物學(xué)原理，由3種氨基酸(纈氨酸、脯氨酸和甘氨酸)按一定順序排列而構(gòu)成的，它類似于人的肌肉纖維，具有彈性，且能隨環(huán)境溫度和化學(xué)成分(如pH值)的變化而伸縮。由于它能模擬活體的生物過(guò)程，于是，人們把這種材料稱為生物聚合物。

產(chǎn)品設(shè)計(jì)

來(lái)自亞利桑那州州立大學(xué)的研究員西宮川認(rèn)為，人類的肌肉是人四肢活動(dòng)的馬達(dá)，只有生產(chǎn)出超級(jí)的人造肌肉和裝置，才能讓殘障人士的假肢恢復(fù)正常的功能，這種新式的人造肌肉將有可能治療神經(jīng)肌肉型疾病帕金森氏癥。為此，科學(xué)家們利用生物仿生學(xué)，通過(guò)對(duì)蟾蜍和變色龍的肌肉的研究，打造出了這種神奇的“生物馬達(dá)”。

科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，一個(gè)蟾蜍的下巴肌肉能夠產(chǎn)生大于它自身體重700倍的力量，而變色龍捕食的時(shí)候，舌頭肌肉收縮時(shí)所產(chǎn)生的力量也是非常驚人的。而目前人類所制造的最好的機(jī)械設(shè)備(動(dòng)力馬達(dá))也只能產(chǎn)生蟾蜍下巴肌肉的三分之一的力量。對(duì)于這種神奇的現(xiàn)象，科學(xué)家們通過(guò)對(duì)蟾蜍和變色龍的解剖尋找相關(guān)的信息。他們認(rèn)為蟾蜍下巴的特殊構(gòu)造是造成其肌肉產(chǎn)生強(qiáng)大力量的原因之一，這種構(gòu)造可以在最短的時(shí)間內(nèi)貯存力量，適應(yīng)肌肉所產(chǎn)生的張力，在蟾蜍大腦的操縱下實(shí)現(xiàn)肌肉的迅速收縮。

亞利桑那州州立大學(xué)的科學(xué)家中們從蟾蜍的肌肉構(gòu)造上獲得靈感，設(shè)計(jì)出了一種“機(jī)器肌腱”，這種裝置可以模仿蟾蜍的下巴肌肉迅速收縮，產(chǎn)生強(qiáng)大的能量。這種機(jī)器肌腱就是“生物馬達(dá)”，也就是人造肌肉。再配合獨(dú)有的高端協(xié)調(diào)輔助設(shè)備，可以使假肢等設(shè)備和人的大腦信號(hào)協(xié)調(diào)一致，從而提高假肢的運(yùn)動(dòng)功能，實(shí)現(xiàn)殘疾人的正常生活。但是科學(xué)家認(rèn)為，這種模仿蟾蜍制造出的人造肌肉最關(guān)鍵的部分還是高端協(xié)調(diào)輔助設(shè)備，只有通過(guò)大腦的操縱實(shí)現(xiàn)功能才是生物馬達(dá)最關(guān)鍵的部分，這個(gè)關(guān)鍵部分還需要繼續(xù)的研究探索。但是科學(xué)家表示，這種“生物馬達(dá)”人造肌肉將會(huì)促進(jìn)神經(jīng)肌肉學(xué)的研究和發(fā)展，有助于對(duì)人類神經(jīng)肌肉學(xué)的擴(kuò)展性研究，將生物仿生學(xué)和生物動(dòng)力學(xué)有機(jī)結(jié)合起來(lái)，這種神奇的“生物馬達(dá)”堪稱神來(lái)之筆，不僅可以幫助殘疾人的生活，還推動(dòng)了科學(xué)家對(duì)于生物仿生技術(shù)的發(fā)展。

科學(xué)家對(duì)人造肌肉的研究已經(jīng)進(jìn)行了幾十年，人造肌肉所用的材料種類也很多，有塑料、類似橡膠的聚合物、凝膠以及金屬，但是這些材料做成的人造肌肉面臨很多問(wèn)題，比如需要消耗大量能量并且可能經(jīng)常失效而無(wú)法像真正的肌肉那樣能自我修補(bǔ)。

特色功能

活動(dòng)自由工作更持久

現(xiàn)行的機(jī)器人或機(jī)械手臂受到能量限制，只能在電源附近活動(dòng)。因此，美國(guó)國(guó)防部高級(jí)計(jì)劃研究署一直希望能研發(fā)出一種能像人類一樣自由活動(dòng)、而且自身可以供應(yīng)能量的新型裝置，于是便有了這種超級(jí)仿生肌肉的模型。據(jù)研究人員介紹，這種仿生肌肉的最大好處就是能量由燃料供應(yīng)，以彌補(bǔ)電池功能的諸多不足。仿生肌肉可以自由活動(dòng)，而且能工作更長(zhǎng)時(shí)間，不會(huì)因電池短命而動(dòng)不了，也不必時(shí)刻綁個(gè)電源在身邊。

按照研究人員的設(shè)想，仿生肌肉研制成功后，將能完成人類和機(jī)器人各自無(wú)法獨(dú)立做到的事情。它能像人類一樣到處行動(dòng)，能像自然手臂一樣靈活運(yùn)用，還能“綁”在“外骨骼”上，使消防員、士兵和宇航員等特殊行業(yè)的人擁有超人般的力量。有了它，也許消防員就可以只手撐起倒塌的建筑材料，而戰(zhàn)場(chǎng)上的士兵也可以變成不知疲倦的“超人”。

比常人肌肉強(qiáng)100倍

為了實(shí)現(xiàn)這些功能，美韓兩國(guó)科學(xué)家聯(lián)手開發(fā)了兩種仿生肌肉，以適應(yīng)不同需要。

一種是把化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能。它用含有催化劑的碳納米管彎曲搭建出肌肉塊、“燃料細(xì)胞”電極和超級(jí)電容器電極，它們會(huì)在充滿氫的環(huán)境中，源源不斷地產(chǎn)生電源。

另一種是把化學(xué)能轉(zhuǎn)化成熱能。它利用氫和乙醇反應(yīng)提供能量，配合特制的記憶金屬絲。例如，當(dāng)溫度降低時(shí)，金屬絲就會(huì)收縮，催化劑減少作用，人造肌肉就會(huì)放松收縮。這種方法打造出來(lái)的人造肌肉力量最大，舉力是正常骨骼肌肉的100倍以上。

有循環(huán)系統(tǒng)也有神經(jīng)

不過(guò)目前看來(lái)，這兩種肌肉都沒有一點(diǎn)肌肉的樣子，它們只是一堆電線、懸臂和玻璃瓶。惟一能夠區(qū)別于機(jī)械臂的特點(diǎn)就是它們能夠像生物一樣“呼吸”：吸入氧氣，釋放乙醇和氫，提供能量。

這種情況完全可能。加拿大學(xué)者指出：“事實(shí)上，人造肌肉已成功復(fù)制出了很多生物特點(diǎn)。比如說(shuō)，它有循環(huán)系統(tǒng)，氧和燃料可以通過(guò)循環(huán)系統(tǒng)輸送，為肌肉本身提供化學(xué)反應(yīng)的場(chǎng)所，然后做出機(jī)械動(dòng)作；它還有神經(jīng)，由特殊電路組成，能夠做出反應(yīng)并控制自己的行為；它還能存儲(chǔ)能量，并像人類的肌肉一樣，直接對(duì)接觸做出判斷反應(yīng)?！?/p>

其他信息

具體用途

人造肌肉伸縮性已能和人的肌肉相媲美，材料自身性能決定，無(wú)需馬達(dá)、齒輪等復(fù)雜裝置，體積小、重量輕。研究人員稱研發(fā)的兩種人造肌肉性能均非常突出，同時(shí)具備燃料電池和肌肉的功能。其中一采用了含催化劑的碳納米管電極，可作為燃料電池的電極將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，級(jí)電容器的電極來(lái)儲(chǔ)存電能，還可作肌肉電極將電能再轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。另外一種是目前最強(qiáng)健的肌肉，是通過(guò)混合燃料和空氣中的氧氣發(fā)生催化反應(yīng)，將化學(xué)能能，升高的溫度可使制造肌肉的具有形狀記憶。

功能的金屬材料用力收縮，冷卻后肌肉脹放松。由于這種燃料電池肌肉所使用的外層涂有納米顆粒催化劑的形狀記憶金在市場(chǎng)上買到，這使得它尤其容易在自動(dòng)裝置中得到應(yīng)用。

這次新研制成功的人造肌肉則解決了這些問(wèn)題。研究人員使用更具有彈性且已經(jīng)被廣泛應(yīng)用的碳納米管（carbonnanotubes）取代其它金屬薄膜來(lái)充當(dāng)電極，這樣就避免了因重復(fù)使用導(dǎo)致金屬膜失效而出現(xiàn)的供電問(wèn)題。另外，如果碳納米管某一部分出現(xiàn)問(wèn)題，它周圍剩下的區(qū)域就會(huì)將其自我封閉起來(lái)，使其不會(huì)導(dǎo)電，這樣就防止了損壞影響到其它區(qū)域。佩·齊平說(shuō)，“我們對(duì)這個(gè)新裝置已經(jīng)多次進(jìn)行了類似的實(shí)驗(yàn)，包括用大頭針將人造肌肉刺破，結(jié)果證明它并沒有癱瘓，還能正常工作”。

更神奇的是，這種能自我修復(fù)的人造肌肉還能發(fā)電和儲(chǔ)存電能。當(dāng)此人造肌肉在膨脹后收縮時(shí)，它自身碳納米管的結(jié)構(gòu)會(huì)進(jìn)行重新排列，這是它就會(huì)產(chǎn)生一股小小的電流。并且這股電流是可以儲(chǔ)存并加以利用的，例如給下一次肌肉運(yùn)動(dòng)擴(kuò)張?zhí)峁┠芰?，或者貯存在電池里給類似于iPod的移動(dòng)設(shè)備充電?！八梢詫⒛爿斔徒o它的近70%的能量保存下來(lái)，”

值得一提的是，人造肌肉的服務(wù)對(duì)象不僅僅是人類本身。研究者介紹，人造肌肉還能成為機(jī)器人、飛機(jī)、海洋艦隊(duì)等的幫手。

由于乙醇產(chǎn)生的能量系數(shù)比電池等常規(guī)能源高出30%，因此，人造肌肉可以安裝在機(jī)器人身上充當(dāng)“電池”。還可以用在假肢上，給假肢新的力量。

此外，人造肌肉還可以當(dāng)作飛機(jī)和艦艇的“外衣”。人造肌肉是由碳納米管制造而成，“披”在運(yùn)輸工具外面，可以使它們運(yùn)行起來(lái)阻力更小、更順利。將來(lái)有一天，人造肌肉甚至能夠替代金屬制的心臟起搏器，打造和人類身體更親近的新一代“人造心臟”。

主要產(chǎn)品

超強(qiáng)人造肌肉

美國(guó)和韓國(guó)研究者聯(lián)手研究出一種超級(jí)仿生肌肉。這種肌肉不僅力量大得驚人，而且從來(lái)不會(huì)疲憊。這一發(fā)明可能最終用于消防隊(duì)員、宇航員或戰(zhàn)士，為各條戰(zhàn)線打造力大無(wú)窮的“超人”隊(duì)伍。

新的人工肌肉可以模仿肌肉收縮產(chǎn)生力量。將石蠟嵌入經(jīng)過(guò)編織形成一種特殊結(jié)構(gòu)的碳納米管纖維中，通過(guò)直接加熱、電加熱，或者使用一道閃光，石蠟就會(huì)發(fā)生體積膨脹，使整個(gè)“肌肉”膨脹。但由于碳納米管纖維特殊的結(jié)構(gòu)，“肌肉”的長(zhǎng)度會(huì)同時(shí)發(fā)生收縮，就產(chǎn)生了力量。

隨著通電和斷電，肌肉絲扭曲和恢復(fù)所產(chǎn)生的扭力足以為微型彈射器提供動(dòng)力，在實(shí)驗(yàn)室工作臺(tái)上發(fā)射金屬箔片。研究人員決定建造一個(gè)彈射器來(lái)展示此項(xiàng)新發(fā)明的奧妙。

這種“肌肉”的舉重能力是同等尺寸的天然肌肉的200倍，如果按重量相比，產(chǎn)生的扭力高于大型電動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。但人工肌肉還不能完全吊起一架鋼琴，因?yàn)楫?dāng)前可行的生產(chǎn)技術(shù)限制了絲的重量。

制造材料

壓電材料

自從1990年代中期以來(lái)，Bar-Cohen一直為經(jīng)常變化的國(guó)際EAP研究人員團(tuán)體充當(dāng)非正式的協(xié)調(diào)人?；氐皆擃I(lǐng)域的萌芽時(shí)期，“我從科技論文上讀到的電活化聚合物材料并不像廣告吹噓的那樣神奇，”他一邊回憶，一邊狡黠地笑著，“而且當(dāng)我從NASA獲得經(jīng)費(fèi)來(lái)研究該技術(shù)時(shí)，我不得不去了解誰(shuí)在做這個(gè)領(lǐng)域的工作，以便從中找到某些啟發(fā)。”僅在數(shù)年之內(nèi)，Bar-Cohen就已掌握了足夠的知識(shí)，并且協(xié)助舉辦了首屆關(guān)于該主題的科技研討會(huì)，開始出版一份EAP時(shí)事通訊，發(fā)布了一個(gè)EAP網(wǎng)站，還編寫了兩部關(guān)于這項(xiàng)新興技術(shù)的論著。

在噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）院內(nèi)的一幢矮層研究建筑內(nèi)，試驗(yàn)臺(tái)上擺滿了各種致動(dòng)設(shè)備原型以及測(cè)試裝置，Bar-Cohen開始回顧他已經(jīng)了如指掌的關(guān)于該領(lǐng)域的歷史。他說(shuō)：“很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，人們一直在尋找不用電動(dòng)馬達(dá)就可以移動(dòng)物體的方法，因?yàn)轳R達(dá)對(duì)于許多應(yīng)用而言顯得太過(guò)笨重。在EPAs出現(xiàn)之前，馬達(dá)的標(biāo)準(zhǔn)替代技術(shù)是壓電陶瓷，該技術(shù)曾一度是研究的熱點(diǎn)?！?/p>

在壓電材料中，機(jī)械應(yīng)力可導(dǎo)致晶體電極化，而且反之亦然。用電流刺激這種材料將使其變形；通過(guò)改變其形狀可以產(chǎn)生電。 Bar-Cohen從一張實(shí)驗(yàn)長(zhǎng)椅上拿起一只淺灰色的小碟子，說(shuō)：“這塊碟子由PZT（鋯鈦酸鉛）制成。”他向我們解釋：電流使得壓電PZT產(chǎn)生收縮或者膨脹，幅度只有不到其總長(zhǎng)度的百分之一。盡管變形量很小，但是卻有用處。

在隔壁的一間屋子中，Bar-Cohen出示了由PZT碟子驅(qū)動(dòng)的一英尺長(zhǎng)的沖擊鉆，他正和JPL的同事以及Cybersonics公司的工程師們一起研制這些PZT碟子。他介紹說(shuō)：“在這個(gè)圓筒內(nèi)是一疊壓電碟子，當(dāng)被交流電激活時(shí)，這疊碟子將以超音速拍打鉆頭，鉆頭則以高速率上下跳躍，從而鉆入堅(jiān)硬的巖石?！痹诹硪粋?cè)是幾堆石塊，石塊已經(jīng)被鉆出很深的孔眼。

該鉆子作為一個(gè)范例，說(shuō)明了用壓電陶瓷制作致動(dòng)器的有效性，的確讓人印象深刻。但是，在許多應(yīng)用中，要求電活化材料的膨脹幅度超過(guò)百分之零點(diǎn)幾。

高分子液晶材料

高分子液晶是科學(xué)家們心目中的硅的理想替代物。過(guò)去，許多微觀研發(fā)工作都是在硅材料的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。而越來(lái)越多的科學(xué)家認(rèn)為，高分子液晶聚合物的柔韌性比硅好。對(duì)液晶聚合體進(jìn)行精細(xì)剪裁加工后，加工出的樣品對(duì)溫度變化、紫外線照射等特定的外界刺激有相應(yīng)的反應(yīng)，也比硅的敏感程度高。而且液晶聚合物的制造成本比硅材料更低，加工工藝也更加簡(jiǎn)單。

相比起硅制的假肢，“人造肌肉”更顯神奇。20世紀(jì)80年代，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，在電流的作用下，高分子液晶材料的分子可以發(fā)生形變和扭曲，進(jìn)而使材料本身產(chǎn)生收縮和彎曲——這非常類似于人類的肌肉，于是科學(xué)家們開始研究如何利用高分子液晶材料構(gòu)造“人造肌肉”。傳統(tǒng)的機(jī)器人除了關(guān)節(jié)之外，四肢不能自由活動(dòng)，如果有了“人造肌肉”，則他們的四肢會(huì)更加靈活且發(fā)達(dá)。

尼龍絲材料

尼龍絲這種令人意料之外的功用，是在本周出版的美國(guó)《科學(xué)》雜志中公布的，而這項(xiàng)研究的參與者則是在美國(guó)德克薩斯州大學(xué)達(dá)拉斯分校工作的巴西科學(xué)家們。

這項(xiàng)研究由Roy Baughman領(lǐng)導(dǎo)，他是在這項(xiàng)領(lǐng)域中對(duì)世界貢獻(xiàn)最大的科學(xué)家之一。 同時(shí)，另外兩位科學(xué)家M?nica Jung de Andrade與Márcio Lima在美國(guó)相關(guān)機(jī)構(gòu)攻讀完博士后課程，也加盟了這項(xiàng)新研究。

研究顯示，能夠成為制作人造肌肉材料的最重要特征，就是此材料有能力在儲(chǔ)存大量能量的同時(shí)以同樣的方式保持肌肉的活性。

另一個(gè)重要的指標(biāo)就是這個(gè)制作材料的可逆轉(zhuǎn)性。因?yàn)檠芯匡@示，除非一種材料在經(jīng)歷幾千次儲(chǔ)存與釋放能量的過(guò)程中完全不損失其性能，否則就無(wú)法保持其強(qiáng)大的收縮力以保持肌肉活性。

在攻克這一難關(guān)的過(guò)程中，科學(xué)家們其實(shí)已經(jīng)使用了許多材料進(jìn)行人造肌肉實(shí)驗(yàn)。科學(xué)家們起初使用碳納米管來(lái)進(jìn)行人造肌肉實(shí)驗(yàn)，他們將該材料加熱，并且像真正的肌肉一樣舉起重物，但是許多實(shí)驗(yàn)材料的實(shí)驗(yàn)結(jié)果卻并不理想。

Márcio Lima向記者解釋道，解開這個(gè)謎題的關(guān)鍵就是研究員們找到了某些纖維材料的熱膨脹系數(shù)為負(fù)，這就相當(dāng)于在加熱材料和冷卻材料的過(guò)程中，只要控制好與應(yīng)用好材料溫度的變化，就能夠準(zhǔn)確地在材料的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中保持材料的可逆轉(zhuǎn)性。

他說(shuō)道：“我們發(fā)現(xiàn)將纖維擰在一起形成一個(gè)彈簧或者線圈的形狀能夠放大使用效果。之后我們又實(shí)驗(yàn)了許多更加便宜的纖維材料，也達(dá)到了很好的效果，尼龍絲就是其中一種?！?/p>

這種材料的最大好處就是在于價(jià)格便宜，因?yàn)檫@種尼龍絲每斤只需花費(fèi)15雷亞爾。而且在實(shí)驗(yàn)中，這種尼龍絲所制作的人造肌肉，在100攝氏度溫度變化內(nèi)的承重效果，比人體肌肉的性能要強(qiáng)84倍之多。

在未來(lái)，這種新型技術(shù)可能會(huì)應(yīng)用于機(jī)器人制作、生物醫(yī)學(xué)工程（例如制造承重性能強(qiáng)大的假肢等等），甚至在紡織行業(yè)也可以應(yīng)用。例如，在嚴(yán)熱或寒冷的天氣中，你可以打開或關(guān)閉衣服上用該尼龍絲科技制成的“氣孔”，以達(dá)到調(diào)節(jié)溫度的目的。

SRI小組的領(lǐng)導(dǎo)者Ron Pelrine介紹說(shuō)：“在與日本簽署微型機(jī)器計(jì)劃（Japanese micro-machine program）合同之后，斯坦福研究院（SRI INTERNATIONAL）從1992年開始研究人造肌肉?！彼麖那笆且幻锢韺W(xué)家，轉(zhuǎn)行做機(jī)械工程師。日本官方在尋找一種新型的微致動(dòng)器技術(shù)。幾位SRI研究人員開始尋找一種在力學(xué)、沖程（線性位移）以及應(yīng)變（單位長(zhǎng)度或單位面積的位移量）等方面的性質(zhì)與自然肌肉類似的致動(dòng)材料。

“我們考察了一大堆有希望的活化技術(shù)，”Pelrine回憶道。然而，他們最終選擇了電致伸縮聚合物，當(dāng)時(shí)來(lái)自路特葛斯大學(xué)（Rutgers University）的Jerry Scheinbeim正在研究這種材料。這種聚合物中的碳?xì)浞肿右园刖w點(diǎn)陣的方式排列，而這種晶陣具有類似壓電的屬性。

當(dāng)處于電場(chǎng)中時(shí)，所有的絕緣塑料（例如聚亞安酯）將會(huì)沿電力線的方向收縮，同時(shí)沿垂直于電力線的方向膨脹。這種現(xiàn)象與電致伸縮不同，被稱為麥克斯韋應(yīng)力。Pelrine 說(shuō)：“這種現(xiàn)象早就為人們所熟知，但一直被當(dāng)作是一種很麻煩的效應(yīng)?！?/p>

他意識(shí)到，比聚亞安酯更軟的聚合物在靜電吸引作用下將更容易擠壓，因而可以提供更大的機(jī)械應(yīng)變。通過(guò)對(duì)軟硅樹脂進(jìn)行試驗(yàn)，SRI的科學(xué)家很快證明其應(yīng)變?cè)?0-15%之間，這十分合意。經(jīng)過(guò)進(jìn)一步研究，這個(gè)數(shù)字還可以提高到20-30%。為了區(qū)別這種新的致動(dòng)器材料，硅樹脂和其他較軟的材料被命名為電絕緣橡膠（dielectric elastomers）（也被稱為電場(chǎng)活化聚合物。）

在確定出幾種有前途的聚合物材料之后，在1990年代剩余的大部分時(shí)間內(nèi)，該小組將注意力集中于研制特定設(shè)備應(yīng)用的具體細(xì)節(jié)。當(dāng)時(shí)，該SRI研究小組新的外部經(jīng)費(fèi)支持和研究方向由美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）和海軍研究中心（Office of Naval Research）提供，其主管的首要興趣在于將該技術(shù)用于軍事目的，包括小型偵察機(jī)器人以及輕型發(fā)電機(jī)。

由于橡膠開始表現(xiàn)出大得多的應(yīng)變，工程師意識(shí)到電極也必須是可以膨脹的。普通金屬電極無(wú)法伸長(zhǎng)，除非將其割裂。Pelrine提到：“起先，人們不用為這個(gè)問(wèn)題操心，因?yàn)樗麄冄芯康牟牧纤峁┑膽?yīng)變只有1%左右?！弊詈螅撗芯啃〗M開發(fā)出一種基于在橡膠陣列（elastomeric matrix）中填充碳粒的屈從電極。他指出：“由于電極和塑料一起膨脹，它們可以在整個(gè)活動(dòng)區(qū)域之間保持電場(chǎng)?！盨RI International為該概念申請(qǐng)了專利，它是后來(lái)人造肌肉技術(shù)的關(guān)鍵之一。

Pelrine急于向我們展示，他拿出一個(gè)15厘米見方看上去像相框的東西，其兩面的塑料包夾由于膨脹而緊繃著?！翱?，這種聚合物材料延展性非常好，”他說(shuō)，同時(shí)用一只手指按入其透明薄膜。“它實(shí)際上是一種雙面膠帶，一大卷的價(jià)格很便宜?！痹谥虚g夾片的兩面是黑色、鎳幣大小的電極，連著導(dǎo)線。

Pelrine擰開電源的控制旋鈕。立刻，黑色的圓形電極對(duì)開始膨脹，直徑增加了四分之一。當(dāng)他將旋鈕擰回到原來(lái)位置時(shí)，電極馬上又收縮至原狀態(tài)。他咧嘴笑了笑，并且重復(fù)操作了好幾次，解釋說(shuō)：“根本上，我們的設(shè)備就是電容，也就是兩塊平行的充電平板，中間夾著電絕緣材料。當(dāng)電源接通時(shí)，正負(fù)電荷分別在相反的電極上積累。電極平板互相吸引并且擠壓中間的絕緣聚合物，并且聚合物的面積擴(kuò)大。”

盡管已經(jīng)確定出幾種有前途的材料，要想在實(shí)際設(shè)備中實(shí)現(xiàn)可接受的性能的確是一個(gè)挑戰(zhàn)。然而，該小組在1999年取得的一系列突破引起了美國(guó)政府及工業(yè)界相當(dāng)?shù)呐d趣。

有人通過(guò)觀察發(fā)現(xiàn)，在電活化聚合物材料之前預(yù)先拉伸它，將大大提高其性能。小組的另一位成員Roy Kornbluh工程師回憶說(shuō)：“我們開始注意到存在一個(gè)甜區(qū)（sweet point），這時(shí)可以獲得最優(yōu)性能。沒有人確切地知道為什么，但是預(yù)拉伸聚合物可以使擊穿強(qiáng)度【電極之間電流通路（passage of current）的阻力】增加100倍之多?！彪娀罨瘧?yīng)變提高的幅度與之類似。盡管原因還不是很清楚，SRI的化學(xué)家裴其冰（音）認(rèn)為：“預(yù)拉伸可沿平面膨脹方向定位分子鏈，并且材料使得沿該方向更加堅(jiān)硬?！睘榱双@得預(yù)拉伸效果，SRI的致動(dòng)器設(shè)備采用了一個(gè)外部支撐結(jié)構(gòu)。

第二項(xiàng)關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)得益于研究人員“測(cè)試我們所知道的每一種可伸展材料，我們稱之為愛迪生方法，”Pelrine愉快地告訴我們。（為找到合適的電燈燈絲材料，托馬斯·愛迪生系統(tǒng)地試驗(yàn)過(guò)各種材質(zhì)。）“在我家里，為了不讓我那剛會(huì)走路的孩子亂拿東西，我們用一把以聚合物材料做的門鎖將冰箱鎖住。孩子逐漸長(zhǎng)大，我們不再需要鎖什么東西，因此將鎖拿走。由于它是用可伸展材料制成的，我決定測(cè)試一下它的應(yīng)變屬性。令人驚訝的是，它擁有極佳的性能?！弊匪萱i的來(lái)源以及分析其組成不是什么難事，最后，這種神秘的聚合物“原來(lái)是聚丙烯酸橡膠，它可以提供極大的應(yīng)變和能量輸出，線性應(yīng)變達(dá)380%之多。這兩項(xiàng)進(jìn)展使得我們能夠開始將電絕緣橡膠應(yīng)用到現(xiàn)實(shí)的致動(dòng)器設(shè)備中?！痹撗芯咳藛T介紹說(shuō)。

天然橡膠材料

SRI小組的通用研究方法比較靈活，包括許多種設(shè)計(jì)、甚至包括不同的聚合物。正如裴其冰所說(shuō)：“這是一臺(tái)設(shè)備，而不是一件材料?！睋?jù)Pelrine稱，該小組能夠用不同的聚合物產(chǎn)生活化效應(yīng)，包括丙烯酸樹脂和硅樹脂。甚至天然橡膠也能產(chǎn)生一定效應(yīng)。例如，在外部空間的極端溫度環(huán)境中，人造肌肉最好采用有機(jī)硅塑料，已經(jīng)證明這種材料可以在零下100攝氏度的真空環(huán)境下工作。對(duì)于要求更大輸出力的應(yīng)用，可能需要更多的聚合物材料或者將多臺(tái)設(shè)備串聯(lián)或并聯(lián)。

SRI成員von Guggenberg 估計(jì)：“由于可以買到電絕緣橡膠的現(xiàn)貨，而且我們?cè)诿颗_(tái)設(shè)備至多只用到幾平方英尺的材料，因此致動(dòng)器將會(huì)非常便宜，尤其是對(duì)于批量生產(chǎn)?！?/p>

激活電絕緣橡膠致動(dòng)器的電壓相對(duì)較高，通常為1到5千伏，因此該設(shè)備可以在非常低的電流下運(yùn)轉(zhuǎn)（一般而言，高電壓意味著低電流）。致動(dòng)器還可以使用較細(xì)、不太貴的導(dǎo)線，并且可以保持相當(dāng)冷卻。Pelrine說(shuō)：“在到達(dá)電場(chǎng)中止以及電流流經(jīng)（電極之間的）間隔的臨界點(diǎn)時(shí)，更高的電壓將產(chǎn)生更大的膨脹和應(yīng)力?！?/p>

更大的難題是高電壓要用于移動(dòng)設(shè)備，因?yàn)殡姵赝ǔＪ堑碗妷旱模蚨€需要附加的變壓線圈。而且，在美國(guó)賓夕法尼亞州州立大學(xué)，張啟明（音）和他的研究小組已經(jīng)在嘗試通過(guò)將某些電致伸縮聚合物與其他物質(zhì)結(jié)合生成合成物，來(lái)降低它們的激活電壓。

當(dāng)被問(wèn)及電絕緣橡膠的耐久性時(shí)，von Guggenberg承認(rèn)還需要更多的研究，并且證實(shí)了一個(gè)“合理跡象”，即他們要繼續(xù)工作足夠長(zhǎng)時(shí)間以實(shí)現(xiàn)商業(yè)化用途，“例如，我們?yōu)橐晃豢蛻暨\(yùn)行的設(shè)備可產(chǎn)生5-10%的應(yīng)變，循環(huán)1000萬(wàn)次?！绷硪慌_(tái)設(shè)備可產(chǎn)生50%的面積應(yīng)變，循環(huán)100萬(wàn)次。盡管人造肌肉設(shè)備比相應(yīng)的電動(dòng)馬達(dá)要輕得多（聚合物本身的密度與水差不多），SRI仍在通過(guò)減少必要的外部預(yù)應(yīng)變?cè)O(shè)備，來(lái)努力減輕其質(zhì)量。 2004年5月27號(hào)日本橫濱國(guó)立大學(xué)渡邊正義教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組開發(fā)出一種新型人造肌肉，用一節(jié)干電池即能驅(qū)動(dòng)，用于微型機(jī)器和小型機(jī)器人的關(guān)節(jié)部位十分合適。

這種人造肌肉形狀像口香糖，長(zhǎng)約5厘米，寬1厘米，厚幾百微米。它由一種隨電壓變化而伸縮的高分子材料與一種不易揮發(fā)的離子液體混合制成，可以在正常環(huán)境下長(zhǎng)期使用。如果在微型機(jī)器的關(guān)節(jié)和驅(qū)動(dòng)部位裝上這種人造肌肉，它可像人的關(guān)節(jié)一樣發(fā)揮作用。