即使電子產品越來越小，用於驅動運動的電機、液壓裝置和其他小工具仍然頑固地抵制著這一趨勢。製造和組裝能夠提供驅動超小型移動部件所需的力和承受應力的微型機制非常困難。本週在《科學》雜誌上，幾個研究團隊發表了研究報告，描述了在製造小型人造肌肉方面的進展，所有這些肌肉都使用微小的扭曲纖維來儲存和釋放能量。這些纖維可用於從微型機器人到醫療裝置中的閥門的各種應用。
這些纖維通常包括尼龍或高密度聚乙烯等輕質聚合物，根據其重量，它們比人類肌肉更強大。伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校的機械工程師薩梅赫·陶菲克說，在收縮時，有些纖維可以舉起自身重量 1000 多倍的物體。這些纖維使工程師能夠在小空間記憶體儲大量能量，這“讓他們能夠做他們原本做不到的事情，”陶菲克指出，他合著了發表在同一期《科學》雜誌上的對這些研究的評論。
一種新型人造肌肉設計本質上是用於驅動輕木飛機的橡皮筋的小型高科技版本。但是，這些纖維不需要每次使用都進行纏繞，法國波爾多大學的材料科學家、其中一項研究的合著者袁金凱說。相反，它們由一種“形狀記憶”聚合物製成，該聚合物會隨著材料溫度的變化而扭曲和解扭。
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以下是袁的研究團隊如何製造其肌肉的：首先，研究人員將一種稱為聚乙烯醇 (PVA) 的材料的 2 釐米長、40 微米直徑的纖維加熱到其所謂的程式設計溫度以上。（在此溫度以上，材料自然呈現一種形狀；在此溫度以下，材料可以呈現另一種形狀。如果溫度在此閾值附近波動，材料會在兩種形狀之間交替。）在扭曲纖維以儲存能量後，他們將其冷卻以凍結其形狀。袁說，當纖維再次被加熱到其程式設計溫度以上時，它會迅速解扭回其原始形狀。
雖然 PVA 纖維可以儲存大量的能量，但該團隊發現，在材料中新增三到五微米大小的氧化石墨烯薄片可以使其儲存更多的能量。這是因為這些薄片在纖維第一次扭曲時會彎曲（從而像彈簧一樣儲存能量），然後在纖維解扭時釋放能量。在團隊的實驗室測試中，一條解扭的纖維在整整五秒鐘內以每分鐘 600 轉的速度旋轉了一張紙片。為了證明纖維的能量儲存能力，該團隊使用它來推動一艘玩具船。袁認為，更實際的是，這種人造肌肉還可以開啟和關閉醫療裝置中的微小閥門。
雖然袁和他的同事製造的纖維在扭曲和解扭時會提供扭矩，但其他團隊開發的人造肌肉更像真正的肌肉：它們透過拉動或舉起物體來工作。由麻省理工學院的研究人員領導的一個團隊製造的纖維可以拉伸到其初始尺寸的 1000% 以上，並舉起自身重量 650 多倍的物體。麻省理工學院的材料科學家、該研究的資深作者波利娜·阿尼基娃說，它們的工作原理類似於早期恆溫器中的雙金屬片：纖維由兩種材料粘合而成，這兩種材料會隨著環境溫度的變化以截然不同的速率膨脹。
阿尼基娃說，她的團隊的新型人造肌肉包含高密度聚乙烯 (HDPE)，這是一種用於製造可回收瓶的塑膠。它還包含另一種材料，一種被稱為彈性體的彈性聚合物。當這些物質的小塊被加熱並透過一個窄噴嘴拉動時，它們會粘合併被拉伸成又長又細的纖維。當纖維中的張力釋放時，彈性體會縮小回其原始尺寸。這種變化反過來會導致纖維捲成類似於舊電話線的彈簧狀。當纖維被加熱或冷卻時，HDPE 的膨脹或收縮速度比與之結合的彈性體快約五倍，這往往會分別縮短或增加盤繞纖維的整體長度。
當阿尼基娃和她的同事在四秒內將其中一條纖維加熱 14 攝氏度時，人造肌肉的整體長度縮短了驚人的 50%。在其他測試中，該團隊對纖維進行加熱和冷卻，以舉起輕重量物體或彎曲小型機器人手臂。阿尼基娃說，雖然這些測試舉起了克級重量，但大量的此類纖維束可用於進行更重的舉重或拖拽。她指出，更大直徑的纖維或纖維束可在機器人或假肢中找到應用。
另一支在本週的《科學》雜誌上報道其工作的團隊以完全不同的方式處理人造肌肉。儘管他們的裝置是圍繞扭曲纖維的核心構建的，但肌肉的活性部分實際上是圍繞核心的薄材料護套。德克薩斯大學達拉斯分校的團隊負責人、材料科學家雷·鮑曼說，使用這種護套有幾個好處。他指出，其中一個好處是它允許工程師使用更便宜的材料作為纖維的核心。他和他的同事已經開發出圍繞由尼龍、絲綢和竹紗製成的核心構建的護套驅動的肌肉。他們的測試表明，纖維核心材料的選擇不會顯著影響其效能。
鮑曼說，還有其他原因要構建護套驅動的肌肉。他解釋說，纖維的外部是環境刺激（例如溼度或驅動其運動的某些物質的存在）將更快感受到的地方。此外，護套中的膨脹和收縮（最遠離纖維中心）將比纖維核心附近的等效變化產生更大的槓桿作用。
與其他團隊不同，鮑曼和他的同事開發了對溫度變化以外的更多因素作出反應的纖維。一些纖維帶有在暴露於乙醇蒸氣時膨脹的肌肉護套；另一些則塗有在浸泡在葡萄糖溶液中時會收縮的材料。這些型別的纖維可用於開啟或關閉醫療裝置中的閥門，或擠壓小袋並分配藥物。鮑曼說，可以將在熱、潮溼條件下對汗液或水蒸氣做出反應的纖維編織成“智慧織物”，以調節其編織的緊密度，使其更透氣。或者，對有害蒸氣做出反應的塗層可以收緊織物的編織，以保護應對化學洩漏的人員。
陶菲克說：“我對這些團隊報告的進展感到非常興奮。” “這項技術有著非常光明的前景。”