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一年前，《大眾科學》聽取了化學家 Ray Baughman 的介紹，他和他的國際奈米技術專家團隊已將 人造肌肉技術提升到了新的水平。他們的創新依賴於將碳奈米管紡成粗紗，這些粗紗的扭曲和解扭模仿了大象鼻子或魷魚觸鬚中的天然肌肉。
現在，研究人員報告了一種新型人造肌肉構建技術，該技術使他們的碳奈米管紗線速度更快、力量更強數倍。這些特性可能有助於實現該技術在開發用於機器人、外骨骼和其他機械裝置的緊湊、輕型致動器方面的潛力，儘管仍然存在一些挑戰。
最新的突破來自於將碳奈米管紗線注入石蠟，石蠟在加熱時會膨脹，這使人造肌肉能夠舉起超過自身重量 10 萬倍的物體，並在收縮過程中產生比同等大小的哺乳動物骨骼肌高 85 倍的機械功率，這是研究人員的說法，他們的最新研究成果發表在 11 月 16 日出版的《科學》雜誌上。
上一代人造肌肉是電化學的，其功能類似於超級電容器。達拉斯德克薩斯大學 Alan G. MacDiarmid 奈米技術研究所 所長 Baughman 說，當電荷注入碳奈米管紗線時，來自液體電解質的離子擴散到紗線中，導致其體積膨脹，長度收縮。不幸的是，使用電解質限制了肌肉可以發揮作用的溫度範圍。在較低溫度下，電解質會凝固，減慢肌肉速度；如果溫度過高，電解質會降解。它還需要一個容器，這增加了人造肌肉系統的重量。
石蠟消除了對電解質的需求，使人造肌肉更輕、更強、反應更靈敏。當對直徑約 200 微米（大約是人類頭髮直徑的兩倍）的浸蠟紗線施加熱量或光脈衝時，石蠟會熔化並膨脹。在大約 25 毫秒內，這種膨脹產生壓力，導致紗線的單個奈米管線扭曲，紗線的長度收縮。任何舉重運動員都會告訴你，任何肌肉——人造的或天然的——的成功在一定程度上取決於這種收縮的程度。根據施加的力，Baughman 團隊的肌肉纖維可以收縮高達 10%。
肌肉的優劣也透過其相對於自身尺寸可以舉起的重量來判斷。“我們的人造肌肉可以舉起大約是同等大小的天然肌肉重量的 200 倍，”Baughman 說，並補充說，注入石蠟的人造肌肉還可以產生比其電解質供電的前代產品高 30 倍的最大功率。
辛辛那提大學機械工程學教授 Mark Schulz 在一篇相關的《科學》展望文章中寫道，研究人員最新的這些人造肌肉使該技術更接近於商業化產品，例如環境感測器、航空航天材料，甚至可以利用奈米級致動器的紡織品。他還補充說，這種新型人造肌肉優於現有的肌肉，從而實現了線性電機和旋轉電機等可能的應用；如果可以建立生物相容性，它也可能取代生物肌肉組織。
然而，Schulz 指出——Baughman 也很快承認——即使是這批新型人造肌肉在能夠成為我們購買的許多產品中微型電動機的實用替代品之前，仍然面臨許多挑戰。Schulz 認為，儘管最新的這些人造肌肉有所改進，但在很大程度上效率低下，並且它們可以產生的力、運動和速度的組合也受到限制。
事實上，這些新型人造肌肉的效率約為 1%，Baughman 和他的同事希望將這個數字至少提高 10 倍。提高效率的一種選擇是使用化學燃料而不是電力來驅動肌肉。“彌補效率不足的一種方法是使用像甲醇這樣的燃料來代替電池，”他說。“與電池相比，您可以在像甲醇這樣的燃料中儲存多 20% 以上的能量。”
另一個挑戰是，人造肌肉必須分別進行加熱和冷卻才能收縮和釋放。短紗線可以在幾秒鐘內自行冷卻，但較長的紗線需要使用水或空氣主動冷卻，否則肌肉將不會放鬆。“或者你需要[使用]一種不需要熱驅動的材料，”Baughman 說。“如果你不斷地將[碳奈米管]紗線做得越來越長，你的冷卻速度就會提高。”
規模問題可能構成最大的挑戰。根據 Baughman 的說法，一毫米長的人造肌肉可以舉起約 50 克。這意味著舉起幾噸重物將需要比實際應用更長的碳奈米管紗線。“我們希望我們的人造肌肉能夠用於外骨骼，以幫助工人和士兵舉起重達數噸的物體，”他說。但研究人員仍在研究如何將足夠的紗線塞入外骨骼肢體的長度中，以執行此類任務。
碳奈米管人造肌肉更可能首先出現在只需要短長度的產品中。Baughman 設想將人造肌肉用於微創手術的導管中，“在導管末端需要具有多種功能以進行外科手術操作”。另一個具有靈活性的應用是“智慧”織物，它可以自動對其環境做出反應，當檢測到空氣中的熱量或有害化學物質時，變得更或更少的多孔。