新型人工肌肉扭力超前


  研究人员已经创造出的人造肌肉,扭矩多了1000倍,这是对比过去制成的任何适当材料而言,这一进展证明可用于机器人和假肢。

  人工肌的制备,通常采用聚合物和金属,它们可以改变大小和形状。但要真正有用,这些材料就需要在接通电流时扭转或旋转,而迄今为止,很少有这样的成品材料可以做到这一点。

  这种新的肌肉,也就是碳纳米管纤维,可以纺成纱线,产生的扭矩或扭力和商用电动马达一样大。

  “这是了不起的,”詹姆斯•托尔(James Tour)说,他是莱斯大学(James Tour)化学和计算机科学教授,没有参与这项工作。“纤维有这样的扭矩是令人着迷的,很可能带来一些机械应用,这是迄今任何其他材料都无法实现的。他们这种材料真是做得很漂亮。”

  这种旋捻的纳米管纱线可开辟新颖用途。它有助于缩小电动马达,压缩机和涡轮机。基于旋转式致动器的微型泵,可以集成到实验室芯片设备上,目前使用的还是大型外部泵。“这是一条令人着迷的新途径,可以提供扭转,”雷•鲍曼(Ray Baughman)说,他是德克萨斯大学达拉斯分校(University of Texas at Dallas)纳米技术研究所主任。鲍曼领导这项工作。

  今天,有一篇论文发表在《科学》杂志网站上,研究人员表明,这种新型纱线可以旋转的桨片,比自身重1800倍,每分钟590转。他们演示,基于这一概念的简单设备,如何用于混合两种液体,就混合在微流体芯片上;在流体混合器中,一根15微米宽纱线旋转的桨片,是纱线自身的200倍宽,80倍重,每秒旋转一周。

  鲍曼和他同事已经制成碳纳米管为基础的肌肉,比天然肌肉强100倍,柔性胜过橡胶。研究人员创造这种纱线,首先要培育森林状的碳纳米管,每根纳米管约400微米高,12纳米宽。然后,他们把它们捻在一起,形成长长的束,不到10微米粗。

  要创造这种扭转运动,这些纱线就要连接到一个电极,并浸在电解液中。电解液中的离子进入纱线,这使它首先膨胀,继而收缩,并沿其长度旋转。

  鲍里斯•雅克布森(Boris Yakobson)是莱斯大学化学、材料科学和机械工程教授,他说,他好奇的是这一系统的能效,而且本来想看到一些测量,甚或论文中的一些估计。他说,任何此类电机,一些重要的特点就是“有多少电能输入,可以产生多少机械功的旋转。在任何情况下,这都是迷人的纳米工程学。”