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一年前，《大众科学》听取了化学家 Ray Baughman 的介绍，他和他的国际纳米技术专家团队已将 人造肌肉技术提升到了新的水平。他们的创新依赖于将碳纳米管纺成粗纱，这些粗纱的扭曲和解扭模仿了大象鼻子或鱿鱼触须中的天然肌肉。
现在，研究人员报告了一种新型人造肌肉构建技术，该技术使他们的碳纳米管纱线速度更快、力量更强数倍。这些特性可能有助于实现该技术在开发用于机器人、外骨骼和其他机械设备的紧凑、轻型致动器方面的潜力，尽管仍然存在一些挑战。
最新的突破来自于将碳纳米管纱线注入石蜡，石蜡在加热时会膨胀，这使人造肌肉能够举起超过自身重量 10 万倍的物体，并在收缩过程中产生比同等大小的哺乳动物骨骼肌高 85 倍的机械功率，这是研究人员的说法，他们的最新研究成果发表在 11 月 16 日出版的《科学》杂志上。
上一代人造肌肉是电化学的，其功能类似于超级电容器。达拉斯德克萨斯大学 Alan G. MacDiarmid 纳米技术研究所 所长 Baughman 说，当电荷注入碳纳米管纱线时，来自液体电解质的离子扩散到纱线中，导致其体积膨胀，长度收缩。不幸的是，使用电解质限制了肌肉可以发挥作用的温度范围。在较低温度下，电解质会凝固，减慢肌肉速度；如果温度过高，电解质会降解。它还需要一个容器，这增加了人造肌肉系统的重量。
石蜡消除了对电解质的需求，使人造肌肉更轻、更强、反应更灵敏。当对直径约 200 微米（大约是人类头发直径的两倍）的浸蜡纱线施加热量或光脉冲时，石蜡会熔化并膨胀。在大约 25 毫秒内，这种膨胀产生压力，导致纱线的单个纳米管线扭曲，纱线的长度收缩。任何举重运动员都会告诉你，任何肌肉——人造的或天然的——的成功在一定程度上取决于这种收缩的程度。根据施加的力，Baughman 团队的肌肉纤维可以收缩高达 10%。
肌肉的优劣也通过其相对于自身尺寸可以举起的重量来判断。“我们的人造肌肉可以举起大约是同等大小的天然肌肉重量的 200 倍，”Baughman 说，并补充说，注入石蜡的人造肌肉还可以产生比其电解质供电的前代产品高 30 倍的最大功率。
辛辛那提大学机械工程学教授 Mark Schulz 在一篇相关的《科学》展望文章中写道，研究人员最新的这些人造肌肉使该技术更接近于商业化产品，例如环境传感器、航空航天材料，甚至可以利用纳米级致动器的纺织品。他还补充说，这种新型人造肌肉优于现有的肌肉，从而实现了线性电机和旋转电机等可能的应用；如果可以建立生物相容性，它也可能取代生物肌肉组织。
然而，Schulz 指出——Baughman 也很快承认——即使是这批新型人造肌肉在能够成为我们购买的许多产品中微型电动机的实用替代品之前，仍然面临许多挑战。Schulz 认为，尽管最新的这些人造肌肉有所改进，但在很大程度上效率低下，并且它们可以产生的力、运动和速度的组合也受到限制。
事实上，这些新型人造肌肉的效率约为 1%，Baughman 和他的同事希望将这个数字至少提高 10 倍。提高效率的一种选择是使用化学燃料而不是电力来驱动肌肉。“弥补效率不足的一种方法是使用像甲醇这样的燃料来代替电池，”他说。“与电池相比，您可以在像甲醇这样的燃料中存储多 20% 以上的能量。”
另一个挑战是，人造肌肉必须分别进行加热和冷却才能收缩和释放。短纱线可以在几秒钟内自行冷却，但较长的纱线需要使用水或空气主动冷却，否则肌肉将不会放松。“或者你需要[使用]一种不需要热驱动的材料，”Baughman 说。“如果你不断地将[碳纳米管]纱线做得越来越长，你的冷却速度就会提高。”
规模问题可能构成最大的挑战。根据 Baughman 的说法，一毫米长的人造肌肉可以举起约 50 克。这意味着举起几吨重物将需要比实际应用更长的碳纳米管纱线。“我们希望我们的人造肌肉能够用于外骨骼，以帮助工人和士兵举起重达数吨的物体，”他说。但研究人员仍在研究如何将足够的纱线塞入外骨骼肢体的长度中，以执行此类任务。
碳纳米管人造肌肉更可能首先出现在只需要短长度的产品中。Baughman 设想将人造肌肉用于微创手术的导管中，“在导管末端需要具有多种功能以进行外科手术操作”。另一个具有灵活性的应用是“智能”织物，它可以自动对其环境做出反应，当检测到空气中的热量或有害化学物质时，变得更或更少的多孔。