Taut-Tech:更小、更柔軟的人造肌肉,助力玩具和手機

研究人員在電活性聚合物上塗覆碳,以減少消費電子產品中的移動部件


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人造肌肉已經幫助人眼眨眼機器人魚游泳,以及太空中的機械臂更換太陽能電池板。現在,一種新型的,可能可穿戴的人造肌肉有望在更輕、更小、更柔軟且更便宜的同時完成所有這些事情。

這些改進的人造肌肉使用與前輩相同型別的橡膠狀、電啟用聚合物薄膜,但依賴於一種將電路元件整合到薄膜本身的新設計。

人造肌肉已經存在幾十年了。它們通常由夾在導體之間的橡膠絕緣材料組成,例如一對電極。施加到橡膠材料上的電荷會在其導電錶面上積聚併產生壓縮應力。這種應力使聚合物像真正的肌肉一樣移動——它會變薄並擴大面積。這種形狀變化提供了一種力,可用於移動物體,例如假肢或機械臂。根據聚合物材料和條件,薄膜可以拉伸高達 300%,達到與真實肌肉相當(有時甚至更好)的效能。

紐西蘭奧克蘭大學生物工程研究所的科學家們正在開發一種先進的人造肌肉,它基本上在不需要外部導體的情況下做同樣的事情。研究人員首先在聚合物上塗抹注入碳顆粒的油脂(稱為碳脂)。該大學仿生實驗室的負責人伊恩·安德森(Iain Anderson)說:“透過小心地在薄膜表面鋪設柔軟的電極,我們可以巧妙地控制電荷,並創造出比以前更小、更輕、更便攜的東西。”

該團隊已經使先進的人造肌肉成為介電彈性體發電機的基礎——一種將機械能轉化為電能的裝置。一種可穿戴的發電機,它是透過將研究人員開發的開關直接印刷在柔軟的人造肌肉上製成的,可以收集步行或其他體力活動產生的能量來為手機充電。在實驗室條件下,從人們行走時腿部運動中捕獲的能量產生了大約 10 毫瓦的電力。(從角度來看,一個典型的雷射筆產生 5 毫瓦。1 毫瓦是 1 瓦的千分之一。)

人造肌肉也是自感應的,在工作時提供來自自然肌肉的高保真反饋。這種反饋類似於人體中的本體感覺,使我們能夠感知四肢的位置。例如,人類可以利用這種能力在閉著眼睛的情況下觸控鼻子。這是可能的,因為我們手臂中的肌肉包含可以感知壓力的細胞。

在另一個實驗中,奧克蘭的研究人員設計了一種帶有新的輪轂和輻條結構的電機,該結構利用了多個人造肌肉的集體能量。每塊肌肉都連線到一個塑膠環的外部,該塑膠環環繞著一個軸。當施加電壓時,肌肉間歇性地變形,將電能轉化為機械能。起伏的肌肉按順序壓在中央環上,導致軸旋轉,很像鉛筆可能在拇指和食指之間滾動。研究人員估計,這些肌肉的生產成本約為每塊 5 美元,具體取決於所使用的材料——如果大批次生產,則成本更低。

這些發展使人造肌肉在商業上更接近廣泛應用,尤其是在玩具市場。“開發創新的利基技術可以將人造肌肉領域從一種新穎的技術推向完全商業化的市場,並幫助資助研究,”NASA 噴氣推進實驗室的電活性材料和機制專家物理學家約瑟夫·巴爾-科恩(Yoseph Bar-Cohen)說。巴爾-科恩對新電機的穩定性印象特別深刻。“這些材料在太空應用中具有巨大的潛力,”他補充道。

這項新工作是為使人造肌肉進入主流而進行的長期嘗試中的最新一項。去年,加利福尼亞大學戴維斯醫療中心 (University of California, Davis, Medical Center) 的科學家宣佈了一種透過人造肌肉和吊索幫助中風患者眨眼的方法。德克薩斯大學達拉斯分校奈米技術研究所的研究人員在 2009 年開發了一種基於碳奈米管的人造肌肉,該肌肉能夠在極端溫度下工作,使其非常適合在太空中使用。幾年前,將人造肌肉融入電視和計算機螢幕的進展有望實現更生動的螢幕色彩。將近十年前,人造鰭中的人造肌肉被用來推動人造魚

一些版本的人造肌肉已經可以商業購買。Artificial Muscle, Inc. 生產的ViviTouch技術是 iPod Touch 的Mophie Pulse 外殼背後的技術,它使用振動提供自感應影片遊戲反饋,使遊戲更逼真和互動。

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