Taut-Tech:更小、更柔软的人造肌肉,助力玩具和手机

研究人员在电活性聚合物上涂覆碳,以减少消费电子产品中的移动部件


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人造肌肉已经帮助人眼眨眼机器人鱼游泳,以及太空中的机械臂更换太阳能电池板。现在,一种新型的,可能可穿戴的人造肌肉有望在更轻、更小、更柔软且更便宜的同时完成所有这些事情。

这些改进的人造肌肉使用与前辈相同类型的橡胶状、电激活聚合物薄膜,但依赖于一种将电路元件集成到薄膜本身的新设计。

人造肌肉已经存在几十年了。它们通常由夹在导体之间的橡胶绝缘材料组成,例如一对电极。施加到橡胶材料上的电荷会在其导电表面上积聚并产生压缩应力。这种应力使聚合物像真正的肌肉一样移动——它会变薄并扩大面积。这种形状变化提供了一种力,可用于移动物体,例如假肢或机械臂。根据聚合物材料和条件,薄膜可以拉伸高达 300%,达到与真实肌肉相当(有时甚至更好)的性能。

新西兰奥克兰大学生物工程研究所的科学家们正在开发一种先进的人造肌肉,它基本上在不需要外部导体的情况下做同样的事情。研究人员首先在聚合物上涂抹注入碳颗粒的油脂(称为碳脂)。该大学仿生实验室的负责人伊恩·安德森(Iain Anderson)说:“通过小心地在薄膜表面铺设柔软的电极,我们可以巧妙地控制电荷,并创造出比以前更小、更轻、更便携的东西。”

该团队已经使先进的人造肌肉成为介电弹性体发电机的基础——一种将机械能转化为电能的装置。一种可穿戴的发电机,它是通过将研究人员开发的开关直接印刷在柔软的人造肌肉上制成的,可以收集步行或其他体力活动产生的能量来为手机充电。在实验室条件下,从人们行走时腿部运动中捕获的能量产生了大约 10 毫瓦的电力。(从角度来看,一个典型的激光笔产生 5 毫瓦。1 毫瓦是 1 瓦的千分之一。)

人造肌肉也是自感应的,在工作时提供来自自然肌肉的高保真反馈。这种反馈类似于人体中的本体感觉,使我们能够感知四肢的位置。例如,人类可以利用这种能力在闭着眼睛的情况下触摸鼻子。这是可能的,因为我们手臂中的肌肉包含可以感知压力的细胞。

在另一个实验中,奥克兰的研究人员设计了一种带有新的轮毂和辐条结构的电机,该结构利用了多个人造肌肉的集体能量。每块肌肉都连接到一个塑料环的外部,该塑料环环绕着一个轴。当施加电压时,肌肉间歇性地变形,将电能转化为机械能。起伏的肌肉按顺序压在中央环上,导致轴旋转,很像铅笔可能在拇指和食指之间滚动。研究人员估计,这些肌肉的生产成本约为每块 5 美元,具体取决于所使用的材料——如果大批量生产,则成本更低。

这些发展使人造肌肉在商业上更接近广泛应用,尤其是在玩具市场。“开发创新的利基技术可以将人造肌肉领域从一种新颖的技术推向完全商业化的市场,并帮助资助研究,”NASA 喷气推进实验室的电活性材料和机制专家物理学家约瑟夫·巴尔-科恩(Yoseph Bar-Cohen)说。巴尔-科恩对新电机的稳定性印象特别深刻。“这些材料在太空应用中具有巨大的潜力,”他补充道。

这项新工作是为使人造肌肉进入主流而进行的长期尝试中的最新一项。去年,加利福尼亚大学戴维斯医疗中心 (University of California, Davis, Medical Center) 的科学家宣布了一种通过人造肌肉和吊索帮助中风患者眨眼的方法。德克萨斯大学达拉斯分校纳米技术研究所的研究人员在 2009 年开发了一种基于碳纳米管的人造肌肉,该肌肉能够在极端温度下工作,使其非常适合在太空中使用。几年前,将人造肌肉融入电视和计算机屏幕的进展有望实现更生动的屏幕色彩。将近十年前,人造鳍中的人造肌肉被用来推动人造鱼

一些版本的人造肌肉已经可以商业购买。Artificial Muscle, Inc. 生产的ViviTouch技术是 iPod Touch 的Mophie Pulse 外壳背后的技术,它使用振动提供自感应视频游戏反馈,使游戏更逼真和互动。

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