石墨烯克服人造肌肉的致命弱点
15:10原文出处：
　　供图：韩国院　　在仿生学领域中，所谓的人造肌肉给人以全部希望：从为水下交通工具制造类鱼的鳍的能力，到帮助残疾人复健的装置。　　这些离子型由于其绝对简便性而具有吸引力。只需将两个电极放在上，当接通电压时，，引起高分子材料变形。　　然而，金属电极有一个问题。当它们暴露于空气和电流中时，电极会开始破裂，渗出离子，并削弱肌肉的性能。　　韩国科学技术院（KAIST）的提出了一种解决该问题的方法，该方法使用了。　　在发表于“ACS纳米”（ACS Nano）的研究中，KAIST的研究小组利用一种叫作疏水性激光划片法（获得的）经还原的石墨烯纸（HLrGOP）的低成本石墨烯制备电极。　　我们最近已经看到激光划片石墨烯在超级电容器上的应用。还原的石墨烯氧化物（指被还原回纯的石墨烯，去掉了氧）也已经成为使得实验性的三维全息显示变为可能的基础。　　尽管如此，这种形式石墨烯的疏水特性才是它可用于该应用的关键。石墨烯电极具有光滑的外表面，该表面疏水，抗破裂。虽然外表面是光滑的，内表面却是粗糙的，这有助于离子在高分子膜上的传输。　　在他们用新型人造肌肉所做的实验中，研究者们记录下了明显改进的耐久性以及没有性能的衰减。　　虽然这些结果对于研究者来说是令人鼓舞的，但是他们承认，更多的工作需要去做，以改进石墨烯基电极。　　KAIST的研究小组也将致力于发明一种利用该改进的人造肌肉的仿生机器人。他们计划发明的这种机器人将像水黾科昆虫一样可以在水上行走。
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“人造肌肉”将引发动力风暴
（新闻周报11月11日报道）不管是在航天技术领域还是工业领域，“人造肌肉”的出现及前景都是一项划时代的技术革命。研究人员目前正积极研发以人造肌肉为基础的替代物，来取代许多现有的技术。“机器鱼”的轰动& 近年来“人造肌肉”的成果除了在航天领域的应用，用“人造肌肉”制成的“机器鱼”可以说是最引人瞩目的了。虽然只是个价值100美元的玩具——这条长6．7厘米、色彩鲜艳的机器鱼的不平凡之处在于，它在水中模仿生物往前行进时，肚子里没有任何机械装置，诸如马达、驱动器、机轴、齿轮等，甚至连电池都没有。这条鱼游动靠的是来回伸缩的塑料内脏，它是用新一代改良过的电流驱动聚合物（EAP，通上电流就会产生动作的塑料）所制作出来的第一个商业产品。据说这位“游泳健将”的动作相当柔软，“耐力”能保持6个月。 & 关于人造肌肉的最初设想始于大约20年前，当时科学家发现，非金属材料也能够在电流的作用下产生运动。由巴科恩教授领导研究的“塑料肌肉研究项目”设在美国国家航空航天局加州喷气引擎研究实验室，从那时开始，科学家们就展开了在人造肌肉领域的研究工作。& & 日本开发的人造肌肉伸缩性几乎已能和人的肌肉相媲美，使用的材料是2000年诺贝尔化学奖得主白川英树合成的导电塑料。研究人员先把直径为0.25毫米的管状导电塑料集束在一起，制成肌肉一样的复合体，然后在导电塑料管内灌入特殊液体，通上电流。塑料中的导电性高分子在溶液中放出离子，研究人员可以通过控制电流强弱，来调整离子多少，改变人造肌肉的伸缩性，从而使其体积大小能发生明显变化。实验过程中，人造肌肉伸缩率可达15％，相当于人的肌肉20％的伸缩率。人造肌肉中一根管状导电塑料可承重20克，1600根绑在一起可承重20公斤。 神奇的人造肌肉& 电动马达对许多应用来说都太大、太重了，所以人们一直在尝试着不使用电动马达来移动物体。几十年来，制造“驱动器”的工程师一直在寻找和动物肌肉一样的人工制品。肌肉的神奇在于，只要借着神经刺激就能使长度改变，就可以提供足够的力量来眨眼或是举起杠铃。而且肌肉还具有尺度不变性。在不同的尺度下都运作得一样好，这就是为什么同样的肌肉组织可以驱动昆虫，也能驱动大象。如果人类能够制造“肌肉”，这种人工肌肉就能应用于人工心脏、人工假肢、喷气发动机的燃料控制系统和机器人肢体的活动部件等。& 最后，人们发现了这种对电流有反应的聚合物EAP，它很有希望成为未来人造肌肉的主要材料。EAP可分为两类：离子式及电子式的，它们各有互补的优缺点。离子式的EAP只要几伏特的电压就能造成显著的弯曲，所以它们只需电池就能操作。但由于它们通常必须保持潮湿，所以得将它们封在能伸缩的外套里，而且如果电压过高就会对材料造成无法恢复的损害。电子式EAP是以电场驱动，它们需要很高的电压，可能会导致电击，好处却是反应很快，也能提供强大的机械力。它们不需要外面的保护层，而且几乎不需电流就能固定在某个状态。& 现在研究人员已经野心勃勃地研发以EAP为基础的替代物，来取代许多现有的技术。几年前，美国加州资深研究科学家巴科恩等人为了鼓舞EAP的研究界对这个领域的兴趣，还提出一个挑战，看谁能做出第一个以EAP驱动的机器手臂，能在一对一的情况下扳倒人类参赛者。他们甚至找寻赞助者来提供奖金给优胜者。同时，很多国际公司和政府都在进行研究，希望将人造肌肉推广到市场上。宇航领域的福音& 目前，全球已经陆续建立了很多类似的研究机构，美国国家航空航天局是最早投资进行人造肌肉的前沿性研究工作的，因此美国航空航天局与很多产业都受益于该技术。& 由于人造肌肉能够将分子能量的70％转化为物理能，比传统电动引擎的功率要高出一筹，而且塑料材料的密度仅相当于金属材料的1/3，所以人造肌肉在对重量比较敏感的情况下具有特别的优势，尤其在严格控制自身重量的航空飞行器中。近年来ERP的其他特点也引起航天领域的关注。1997年“火星探路者”的着陆器用的充气软垫就是用ERP制成的。ERP最引人注目的特性还是在其仿制生物肌肉时表现出来的高韧性，以及很高的传动应变和内在减震能力。它为制造生物信号激励的机器人提供了方向。这类仿生机器人灵活而无噪音，同时动作非常敏捷，形状各异，其中包括仿制昆虫。& 加拿大计划开展的新一轮火星探索中，就设想向火星“放飞”一群微型仿生扑翼飞机，引导进入火星的“漫游者”探索器进行科学探索。要让这些昆虫式飞机走出实验室，就必须提高它们的动力。美国科学技术研究所专家考恩布鲁正在研制塑料状肌肉材料，这些材料在通电时能够收缩和放松，从而产生翅膀运动。 & 人造肌肉对宇航服的改良也提供了思路。在空间站工作的宇航员有时需要走出舱门进行维修，如果没有性能良好的宇航服，肯定会影响太空作业的效果。目前的宇航服由于带有一套笨重的、含有流动物质的温度调节装置，因此行动起来显得笨手笨脚。为此，美国科学家霍奇森提出一个新的思路：在宇航服的几层纤维布之间铺设人造肌肉，在加上不同的电压时，这些人造肌肉就出现膨胀或收缩。在人造肌肉膨胀时，多层纤维布便随之扩张，使宇航服变厚，从而具有更好的保温隔热能力，反之则变薄利于散热。这样，新型宇航服能够随外部条件的变化，把人体辐射散失的热量控制在50瓦至1000瓦之间，航天员就可以在冷热悬殊的太空条件下舒适地行走和工作。 人造肌肉的潜力& 就目前而言，人造肌肉的实际应用仍然面临着巨大的挑战。首先，市场上至今仍然不能批量供应有效而且耐用的ERP。其次，ERP的移动力还不够大，机械能密度也比较低，或者响应太慢、不够有效。价格也是制约ERP大规模应用的一个因素。但当ERP进入大规模生产后，价格可能会达到每公斤低于1美元的水平。& 科学家认为，ERP不但在电动玩具和化妆品等方面的应用有很好的前景，在那些需要小型电动引擎来驱动杠杆和其他传动装置的制造产业也会有所作用。以汽车产业为例，一辆汽车通常具备50到100个驱动传动装置，如果这些驱动传动装置可以用人造材料来替换，那么不仅具有更明显的耐磨性，同时也将极大提高功率，如此所带来的收益将非常可观。同时，这些产品也将为数以万计的肢体残疾患者带来福音，而且这些人造手臂将不同于传统意义有齿轮和杠杆装配的机器手臂，而是与人类肌肉外观相同的几可乱真的人造臂膀。因此目前在该领域的国际合作日趋紧密，越来越多的投资者开始认识到ERP巨大的市场前景。在这些合力的推动下，新型高效的ERP会在不久的未来面世，届时人造肌肉这种近乎于科幻小说的情景将变为现实。& 无论科学家巴科恩提出的人造肌肉与真人角力的挑战是否能够最终实现，人造肌肉的发明对于动力领域的科学研究，仍然不啻于一场风暴。&
责任编辑：林 子
文章来源：/41.shtml