這只是一個價值 100 美元的玩具——日本大阪 Eamex 公司開發的游泳機器人魚水族箱。 它的 remarkable 之處在於，色彩鮮豔的塑膠魚在水中游動，逼真地模仿了生命，但它們不包含機械部件：沒有電機、沒有傳動軸、沒有齒輪，甚至沒有電池。 相反，魚之所以能夠遊動，是因為它們體內的塑膠內臟來回彎曲，似乎是自發的。 它們是第一批基於新一代改進型電活性聚合物 (EAP) 的商業產品，這種塑膠能夠響應電力而移動。
幾十年來，製造致動器或運動產生裝置的工程師一直在尋找肌肉的人造替代品。 肌肉僅透過改變長度以響應神經刺激，就可以施加足夠的受控力，足以眨動眼瞼或舉起槓鈴。 肌肉還表現出尺度不變性：它們的機制在所有尺寸下都同樣有效，這就是為什麼基本上相同的肌肉組織既能驅動昆蟲又能驅動大象。 因此，類似肌肉的東西可能有助於驅動難以輕鬆製造微型電機的裝置。
EAP 有望成為未來的“人造肌肉”。 研究人員已經在雄心勃勃地研究基於 EAP 的替代方案，以替代當今的許多技術。 而且他們並不害怕將他們的創造物與自然界相提並論。 幾年前，包括加利福尼亞州帕薩迪納市噴氣推進實驗室 (JPL) 的高階研究科學家 Yoseph Bar-Cohen 在內的幾個人，向電活性聚合物研究界發起了挑戰，以激發人們對該領域的興趣：一場競賽，旨在製造第一個能夠在一對一掰手腕比賽中擊敗人類手臂的 EAP 驅動的機械臂。 後來，他們開始尋找贊助商來補貼給獲勝者的現金獎勵。 第一次此類比賽於 2005 年 3 月舉行，結果令機器人設計師感到失望：一位 17 歲的女孩輕鬆擊敗了她的三位機械對手，每位對手都展示了一種不同型別的人造肌肉。
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儘管結果令人失望，但研究仍在繼續，目前最有希望的 EAP 研究工作可能是在位於加利福尼亞州門洛帕克的非營利合同研究實驗室 SRI International 進行的。 EAP 領域的另一位先驅是 Micromuscle AB，這是一家總部位於瑞典林雪平的公司，專注於心血管治療和藥物輸送領域的醫療裝置應用。
2003 年，SRI 成立了一家衍生公司 Artificial Muscle, Inc. (AMI)，以將其已獲得專利的 EAP 技術商業化。 AMI 現在生產使用其電活性聚合物人造肌肉技術的致動器和感測器（觸控感測器）。 這些固態裝置旨在用於音訊揚聲器、發電機、電機、泵、閥門、感測器和致動器。 該公司的 Universal Muscle Actuator 是第一個高產量平臺，可以作為先進線性致動器設計的基本構建塊。 例如，AMI 最近推出了 DLP-95 自動對焦鏡頭定位器，這是一款緊湊型裝置，可調節鏡頭以進行對焦和變焦。
該公司的長期目標是什麼？ 只是為了用更小、更輕、更便宜的產品（使用 SRI 的新型致動器）來取代我們經常使用的無數電機，更不用說許多其他常見的運動產生機制了。 “我們相信這項技術很有可能徹底改變機械致動領域，”該實驗室的業務發展主管 Philip von Guggenberg 表示。 “我們希望使這項技術無處不在，成為您可以在五金店買到的那種東西。”
[break] 可移動的材料
自 20 世紀 90 年代中期以來，BAR-COHEN 一直擔任國際 EAP 研究界（高度多樣化）的非官方協調員。 他回憶起該領域的初期，“我在科學論文中讀到的電活性聚合物材料並沒有像廣告宣傳的那樣工作，”他狡猾地笑著說。 “由於我已經獲得了 NASA 的資助來研究這項技術，我不得不四處尋找在該領域工作的人，以找到一些確實有效的東西。” 在幾年內，Bar-Cohen 學到了足夠的知識，可以幫助建立第一個關於該主題的科學會議，開始出版 EAP 新聞通訊，釋出 EAP 網站並編輯兩本關於這項新興技術的書籍。
Bar-Cohen 坐在 JPL 園區一棟低矮的研究大樓裡，周圍擺滿了成排的實驗臺，上面散落著原型致動裝置和測試裝置。 他回顧了他非常熟悉的這個領域的歷史。 “長期以來，”他開始說道，“人們一直在研究無需電機即可移動物體的方法，因為電機對於許多應用來說可能太重和笨重。 在 EAP 開發出來之前，電機標準的替代技術是壓電陶瓷，這種技術已經存在一段時間了。”
在壓電材料中，機械應力會導致晶體發生電極化，反之亦然。 用電流擊打它們，它們會變形； 使它們變形，它們會發電。
Bar-Cohen 從其中一個實驗臺上拿起一個小小的灰色圓盤，說：“這個是用 PZT 製成的——鋯鈦酸鉛。” 他解釋說，電流會使壓電 PZT 收縮和膨脹，幅度為其總長度的百分之幾。 運動幅度不大，但仍然有用。
在隔壁的房間裡，Bar-Cohen 展示了由 PZT 圓盤驅動的、一英尺長的衝擊鑽，這些衝擊鑽是他與 JPL 的同事以及位於賓夕法尼亞州伊利市的 Cybersonics, Inc. 共同製造的。 “在這個圓柱體內部是一疊壓電圓盤，”他說。 “當用交流電啟用時，這疊圓盤會以超聲波方式撞擊一個質量塊，該質量塊會高速上下跳動，從而將鑽頭打入堅硬的岩石中。” 一側堆放著成堆的石塊，鑽頭在石塊上切出了深孔。
作為壓電陶瓷可以有效用作致動器的演示，這令人印象深刻。 但是，許多應用需要電活性材料的膨脹幅度超過百分之幾。
[break] 會反應的塑膠
根據 Bar-Cohen 的說法，響應電力而改變形狀的聚合物可以分為兩類：離子型和電子型，每種型別都具有互補的優點和缺點。
離子型 EAP（包括離子聚合物凝膠、離子型聚合物-金屬複合材料、導電聚合物和碳奈米管）基於電化學原理工作——帶電離子的遷移率或擴散。 它們可以直接用電池供電，因為即使是單位數的電壓也會使它們發生明顯的彎曲。 問題在於它們通常需要是溼的，因此必須密封在柔性塗層內。 許多離子型 EAP（尤其是離子型聚合物-金屬複合材料）的另一個主要缺點是，“只要通電，材料就會持續移動，”Bar-Cohen 指出，並補充說：“如果電壓高於一定水平，就會發生電解，從而對材料造成不可逆轉的損壞。”
相比之下，電子型 EAP（例如鐵電聚合物、駐極體、介電彈性體和電致伸縮接枝彈性體）由電場驅動。 它們需要相對較高的電壓，這可能會導致不舒服的電擊。 但作為回報，電子型 EAP 可以快速反應並傳遞強大的機械力。 它們不需要保護塗層，並且幾乎不需要電流來保持位置。
SRI 的人造肌肉材料屬於電子型 EAP 類別。 其成功開發的漫長、坎坷且有時是偶然的道路是技術創新變幻莫測的經典例證。
[break] 電氣化橡膠
“SRI INTERNATIONAL 於 1992 年在日本微型機器計劃的合同下開始研究人造肌肉，”SRI 團隊的負責人、物理學家出身的機械工程師 Ron Pelrine 說。 日本官員正在尋找一種新型的微型致動器技術。 一些 SRI 科學家開始尋找一種在力、行程（線性位移）和應變（單位長度或面積的位移）方面類似於天然肌肉的運動產生材料。
“我們研究了大量可能的致動技術，”Pelrine 回憶道。 然而，最終，他們考慮了電致伸縮聚合物，這是一類當時正在由羅格斯大學的 Jerry Scheinbeim 研究的材料。 這些聚合物中的碳氫化合物分子以具有壓電特性的半結晶陣列排列。
當暴露於電場時，所有絕緣塑膠（如聚氨酯）都會在電場線方向收縮，並在垂直於電場線的方向膨脹。 這種現象與電致伸縮不同，被稱為麥克斯韋應力。 “它早已為人所知，但通常被認為是一種有害影響，”Pelrine 說。
他認識到，比聚氨酯更柔軟的聚合物在靜電吸引力下會被壓扁得更多，因此會提供更大的機械應變。 透過使用軟矽酮，SRI 科學家很快證明了 10% 到 15% 的相當可接受的應變。 隨著進一步研究，這些數字上升到 20% 到 30%。 為了區分新的致動器材料，矽酮和其他更柔軟的塑膠被命名為介電彈性體（它們也稱為電場驅動聚合物）。
在確定了幾種有希望的聚合物材料後，該小組在 20 世紀 90 年代的大部分時間裡都專注於為特定應用構建裝置的具體細節。 當時，SRI 團隊的大部分新外部資金支援和研究方向來自國防高階研究計劃局 (DARPA) 和海軍研究辦公室，其主管主要對將該技術用於軍事目的感興趣，包括小型偵察機器人和輕型發電機。
隨著彈性體開始表現出更大的應變，工程師們意識到電極也必須變得可膨脹。 普通金屬電極在不破裂的情況下無法拉伸。 “以前，人們不必擔心這個問題，因為他們使用的是應變約為 1% 左右的材料，”Pelrine 指出。 最終，該團隊開發了基於彈性體基質中碳顆粒的柔順電極。 “由於電極隨著塑膠一起膨脹，”他指出，“它們可以在整個活動區域保持它們之間的電場。” SRI International 為這一概念申請了專利，這是後續人造肌肉技術的關鍵之一。
為了進行演示，Pelrine 拿出看起來像一個六英寸見方的相框，上面繃著保鮮膜。 “看，這種聚合物材料非常有彈性，”他說，用手指按入透明薄膜中。 “它實際上是一種雙面膠帶，以低成本大卷出售。” 在薄膜中間的兩側是黑色的、鎳幣大小的柔順電極，拖著電線。
Pelrine 轉動電源上的控制旋鈕。 瞬間，成對電極的黑色圓圈擴大到四分之一美元的直徑。 當他將旋鈕轉回其原始位置時，圓盤立即縮小。 他閃過一絲笑容，重複了幾次這個過程，解釋說：“從根本上說，我們的裝置是電容器——兩個帶電的平行板夾著一種介電材料。 當電源開啟時，正負電荷會積聚在相對的電極上。 它們相互吸引並擠壓聚合物絕緣體，聚合物絕緣體透過面積膨脹來響應。”
儘管已經確定了幾種有希望的材料，但在實際裝置中實現可接受的效能被證明是一項挑戰。 然而，1999 年的兩項突破引起了政府和行業的極大興趣。 其中一項突破來自觀察到，在對聚合物進行電啟用之前對其進行拉伸，以某種方式大大提高了它們的效能。 “我們開始注意到，似乎存在一個最佳點，在該點可以獲得最佳效能，”另一位團隊成員工程師 Roy Kornbluh 回憶道。 “沒有人確切知道為什麼，但預拉伸聚合物將擊穿強度[電阻電極之間電流透過的能力]提高了多達 100 倍。” 致動應變也提高到類似的程度。 儘管原因仍然不清楚，但 SRI 前化學家 Qibing Pei 認為，“預拉伸使分子鏈沿膨脹平面定向，並使其在該方向上更硬。” 為了實現預應變效果，SRI 的致動器裝置採用了外部支撐結構。
第二個關鍵發現主要來自於研究人員“正在測試我們能找到的每一種彈性材料——我們稱之為愛迪生式方法，”Pelrine 笑著說。 （托馬斯·愛迪生系統地嘗試了各種材料，以使其適合用作燈泡燈絲。）“在我的家裡，我們在冰箱上安裝了一個聚合物門鎖，以防止我的蹣跚學步的孩子進入。 隨著他長大，我們不再需要門鎖了，所以我把它取下來了。 但由於它是用彈性材料製成的，我決定測試它的應變特性。 令人驚訝的是，它表現出了非常好的效能。” 追蹤材料並確定其成分花費了不少精力，但最終，這種神秘的聚合物“原來是一種丙烯酸彈性體，可以提供巨大的應變和能量輸出——高達 380% 的線性應變。 這兩項發展使我們能夠開始將介電彈性體應用於現實世界的致動器裝置，”這位研究人員說。
[break] 使之成為現實
SRI 團隊的總體方法非常靈活，涵蓋了許多設計，甚至不同的聚合物。 正如 Pei 所說，“這是一種裝置，而不是一種材料。” 根據 Pelrine 的說法，該團隊可以使用各種聚合物（包括丙烯酸和矽酮）產生致動效果。 甚至天然橡膠也在一定程度上有效。 例如，在極端的外太空溫度下，人造肌肉最好由矽酮塑膠製成，這種塑膠已在 -100 攝氏度的真空中得到驗證。 需要更大輸出力的用途可能需要更多聚合物，或者串聯或並聯多個裝置。
“由於介電彈性體可以從市場上購買，而且我們在每個裝置中最多隻使用幾平方英尺的材料，因此致動器的成本將非常低，尤其是在批次生產中，”SRI 的 von Guggenberg 估計。
啟用介電彈性體致動器所需的電壓相對較高——通常為 1 到 5 千伏——因此這些裝置可以在非常低的電流下執行（通常，高電壓意味著低電流）。 它們還使用更薄、更便宜的電線，並保持相當涼爽。 “在電場擊穿並且電流流過間隙[電極之間]之前，電壓越高，膨脹越大，力也越大，”Pelrine 說。
“高電壓可能是一個令人擔憂的問題，”Kornbluh 評論道，“但這不一定很危險。 畢竟，熒光燈和陰極射線管都是高壓裝置，但沒有人擔心它們。 對於移動裝置來說，這更是一個問題，因為電池通常是低電壓，因此需要額外的電氣轉換電路。” 此外，在賓夕法尼亞州立大學，張啟明和他的研究小組已設法透過將某些電致伸縮聚合物與其他物質結合以製造複合材料來降低某些電致伸縮聚合物的啟用電壓。
當被問及 SRI 的介電彈性體致動器的耐用性時，von Guggenberg 承認需要進行更多研究，但證明“有合理的跡象”表明它們可以持續工作足夠長的時間以供商業使用：“例如，我們為一個客戶運行了一個裝置，該裝置產生中等程度的 5% 到 10% 的應變，持續了 1000 萬次迴圈。” 另一個裝置產生了 50% 的面積應變，持續了 100 萬次迴圈。
儘管人造肌肉技術可以比同類電機輕得多——聚合物本身的密度與水相當——但 SRI 仍在努力透過減少對預應變聚合物的外部結構的需求來減少其質量。 例如，Pei 正在嘗試化學處理，以消除對相對較重的框架的需求。
[break] 製造產品
在開發出基本機制後，SRI 團隊很快就開始研究大量應用概念
線性致動器。 為了製造他們所謂的彈簧卷，工程師們將幾層預應變層壓介電彈性體片材纏繞在螺旋彈簧上。 拉伸彈簧支撐周向預應變，而薄膜的縱向預應變使彈簧保持壓縮狀態[參見第 68 頁的方框]。 電壓使薄膜在厚度方向上擠壓並在長度方向上鬆弛，從而使裝置伸展。 因此，彈簧卷可以在緊湊的封裝中產生高力和行程。 Kornbluh 報告說，汽車製造商對這些機制作為汽車中許多小型電機的替代品感興趣，例如電動座椅位置控制裝置和高效無凸輪發動機的閥門控制裝置。
彎曲卷。 採用相同的基本彈簧卷，工程師可以將電極連線起來，以在圓周周圍建立兩個或多個不同的、單獨定址的部分。 電動啟用該部分會使其卷的一側伸展，因此整個卷會朝遠離該側的方向彎曲[參見第 68 頁的方框]。 基於這種設計的機制可以進行復雜的運動，而使用傳統的電機、齒輪和連桿機構很難實現這些運動。 可能的用途包括可轉向的醫用導管和所謂的蛇形機器人。
推拉致動器。 可以將成對的介電彈性體薄膜或彈簧卷佈置成“推拉”配置，使其相互作用，從而以更線性的方式（“一個輸入產生一個輸出”）響應。 在一個裝置和另一個裝置之間切換電壓可以來回移動整個元件的位置； 啟用兩個裝置會使元件在中間點變得剛性。 這樣，致動器的作用就像控制人臂運動的相對的肱二頭肌和肱三頭肌。
揚聲器。 將介電彈性體薄膜拉伸到帶有孔的框架上。 隔膜根據施加的電壓訊號快速膨脹和收縮，然後會發出聲音。 這種配置可以產生輕巧、廉價的平板揚聲器，其振動介質既是驅動器又是發聲面板。 目前的設計在中高頻範圍內提供了良好的效能。 揚聲器配置尚未針對低音揚聲器進行最佳化，儘管沒有障礙阻止其在低頻下良好執行[參見前頁的方框]。
泵。 介電彈性體隔膜泵的設計類似於低頻揚聲器的設計，工程師在其中添加了一個流體腔室和兩個單向止回閥來控制液體流動。 人造肌肉非常適合為微流體泵供電，例如，用於醫學和工業領域重視的晶片實驗室裝置。
感測器。 由於其性質，所有 SRI 的介電彈性體裝置在彎曲或拉伸時都會表現出電容的變化。 因此，可以製造一種柔順且在低電壓下工作的感測器。 根據 Kornbluh 的說法，該團隊幾乎說服了一家汽車製造商採用該技術作為測量安全帶張力的感測器。 他說，此類感測器同樣可以作為纖維、條帶或塗層 incorporated 到織物和其他材料中。
表面紋理和智慧表面。 如果聚合物上印有電極圖案，則可以在表面上按需凸起點或形狀陣列。 這項技術可能會用於有源偽裝織物，該織物可以根據需要改變其反射率，或者用作製造“小肋”的機制，這些“小肋”可以改善飛機機翼的氣動阻力特性[參見對面頁的方框]。
發電機。 同樣，由於這些材料充當軟電容器，因此可以使用它們製造可變電容發電機和能量收集器。 DARPA 和美國陸軍資助了腳跟撞擊發電機的開發，這是一種行動式能源，野戰士兵和其他人員可以使用它為電子裝置供電，以替代電池。 現在正在開發的一種裝置可以使一個平均體型的人每秒走一步產生約 1 瓦的功率[參見上面的方框]。 Von Guggenberg 說，這個概念引起了鞋類公司的興趣。 這些裝置同樣可以連線到揹包帶或汽車懸架元件上。 原則上，這種方法也可以應用於波浪發電機或風力發電裝置。
SRI 研究人員測試了一個更激進的概念——“聚合物發動機”。 丙烷燃料在腔室內部燃燒，由此產生的燃燒產物的壓力使介電彈性體隔膜變形，從而產生電力。 這種設計最終可能會產生釐米或更小尺寸範圍內的高效、極小的發電機。
但真正適銷對路的產品仍有待問世。 “目前，我們正在構建交鑰匙裝置，我們可以將這些裝置交給工程師，以便他們可以使用這些裝置並熟悉這項技術，”von Guggenberg 指出。 “我們希望這只是時間問題，每個工程師都會在設計新產品時考慮這項技術。”