| 词条 | 人造肌肉 |
| 释义 | § 初步介绍 人造肌肉 状材料是根据生物学豫理，由3种氨基酸(缬氨酸、脯氨酸和甘氨酸)按一定顺序排列而构成的，它类似于人的肌肉纤维，具有弹性，且能随环境温度和化学成分(如pH值)的变化而伸缩。由于它能模拟活体的生物过程，于是，人们把这种材料称为生物聚合物。人造肌肉目前，全世界主要有3个研究中心参与人造肌肉的研究，其中两家在美国，一家在瑞士。将于美国举行的掰手腕比赛，会检验它们之中谁的产品最出色，而人类的胳膊届时也会接受一次挑战。 数十年前，构建致动器或者致动设备的工程师就已经为肌肉找到了一种人造替代物。作为对神经刺激的响应，肌肉只须改变长度就能够准确地控制其施加的力量，例如眨眼睛或举起杠铃。同时，肌肉还表现出比例恒定的属性：对于各种尺寸大小的肌肉，其机理都一样，相同的肌肉组织既可以给昆虫、也能够为大象赋予力量。因此，对于难以制作电动马达的驱动设备，某种类似肌肉的东西也许会有用武之地。 数十年前，构建致动器或者致动设备的工程师就已经为肌肉找到了一种人造替代物。作为对神经刺激的响应，肌肉只须改变长度就能够准确地控制其施加的力量，例如眨眼睛或举起杠铃。同时，肌肉还表现出比例恒定的属性：对于各种尺寸大小的肌肉，其机理都一样，相同的肌肉组织既可以给昆虫、也能够为大象赋予力量。因此，对于难以制作电动马达的驱动设备，某种类似肌肉的东西也许会有用武之地。 人造肌肉 EPAs号称要成为未来的人造肌肉。研究人员已经在雄心勃勃地工作，希望能够为许多当代的技术寻找基于EPA的可选方案，而且不害怕将他们的发明物与自然物竞争。几年前，有几个人，包括来自美国加利福尼亚州 帕萨迪纳市喷气推进实验室（JPL）的高级科学家Yoseph Bar-Cohen，向电活化聚合物研究团体发起了一项挑战，以激发人们对该领域的兴趣：展开一项竞赛，看谁能够最先制造出EAP驱动的机器人手臂，而且必须在与人的手臂的一对一掰手腕比赛中取胜。然后，他们开始寻找赞助商的资助，为优胜者颁发现金作为奖励。 目前而言，最有前途的工作也许是美国斯坦福研究院（SRI International）正在做的研究，SRI是基于加利福尼亚州门洛帕克市的一家非盈利的合同型研究实验室。SRI管理层希望能够在几个月内，将所需资金中的400-600万美元作为最初投资，组建一家让产易股的公司（暂时命名为人造肌肉综合公司）以实现其专利EPA技术的商业化。即使现在，SRI手里仍然有着六项研发合同，甲方包括美国政府以及来自玩具、汽车、电子、机械产品和鞋类行业的公司。SRI正在努力，以期尽快将人造肌肉推向市场。 § 不知疲倦 人造肌肉美国和韩国研究者联手研究出一种超级仿生肌肉。这种肌肉不仅力量大得惊人，而且从来不会疲惫。这一发明可能最终用于消防队员、宇航员或战士，为各条战线打造力大无穷的“超人”队伍。 活动自由工作更持久 现行的机器人或机械手臂受到能量限制，只能在电源附近活动。因此，美国国防部高级计划研究署一直希望能研发出一种能像人类一样自由活动、而且自身可以供应能量的新型装置，于是便有了这种超级仿生肌肉的模型。 据研究人员介绍，这种仿生肌肉的最大好处就是能量由燃料供应，以弥补电池功能的诸多不足。仿生肌肉可以自由活动，而且能工作更长时间，不会因电池短命而动不了，也不必时刻绑个电源在身边。 按照研究人员的设想，仿生肌肉研制成功后，将能完成人类和机器人各自无法独立做到的事情。它能像人类一样到处行动，能像自然手臂一样灵活运用，还能“绑”在“外骨骼”上，使消防员、士兵和宇航员等特殊行业的人拥有超人般的力量。有了它，也许消防员就可以只手撑起倒塌的建筑材料，而战场上的士兵也可以变成不知疲倦的“超人”。 比常人肌肉强100倍 为了实现这些功能，美韩两国科学家联手开发了两种仿生肌肉，以适应不同需要。 一种是把化学能转化成电能。它用含有催化剂的碳纳米管弯曲搭建出肌肉块、“燃料细胞”电极和超级电容器电极，它们会在充满氢的环境中，源源不断地产生电源。 另一种是把化学能转化成热能。它利用氢和乙醇反应提供能量，配合特制的记忆金属丝。例如，当温度降低时，金属丝就会收缩，催化剂减少作用，人造肌肉就会放松收缩。这种方法打造出来的人造肌肉力量最大，举力是正常骨骼肌肉的100倍以上。人造肌肉有循环系统也有神经 不过目前看来，这两种肌肉都没有一点肌肉的样子，它们只是一堆电线、悬臂和玻璃瓶。惟一能够区别于机械臂的特点就是它们能够像生物一样“呼吸”：吸入氧气，释放乙醇和氢，提供能量。 这种情况完全可能。加拿大学者指出：“事实上，人造肌肉已成功复制出了很多生物特点。比如说，它有循环系统，氧和燃料可以通过循环系统输送，为肌肉本身提供化学反应的场所，然后做出机械动作；它还有神经，由特殊电路组成，能够做出反应并控制自己的行为；它还能存储能量，并像人类的肌肉一样，直接对接触做出判断反应。” 人造肌肉用途广泛 值得一提的是，人造肌肉的服务对象不仅仅是人类本身。研究者介绍，人造肌肉还能成为机器人、飞机、海洋舰队等的帮手。 由于乙醇产生的能量系数比电池等常规能源高出30%，因此，人造肌肉可以安装在机器人身上充当“电池”。还可以用在假肢上，给假肢新的力量。 此外，人造肌肉还可以当作飞机和舰艇的“外衣”。人造肌肉是由碳纳米管制造而成，“披”在运输工具外面，可以使它们运行起来阻力更小、更顺利。将来有一天，人造肌肉甚至能够替代金属制的心脏起搏器，打造和人类身体更亲近的新一代“人造心脏”。 § 制造材料 自从1990年代中期以来，Bar-Cohen一直为经常变化的国际EAP研究人员团体充当非正式的协调人。回到该领域的萌芽时期，“我从科技论文上读到的电活化聚合物材料并不像广告吹嘘的那样神奇，”他一边回忆，一边狡黠地笑着，“而且当我从NASA获得经费来研究该技术时，我不得不去了解谁在做这个领域的工作，以便从中找到某些启发。”仅在数年之内，Bar-Cohen就已掌握了足够的知识，并且协助举办了首届关于该主题的科技研讨会，开始出版一份EAP时事通讯，发布了一个EAP网站，还编写了两部关于这项新兴技术的论著。 在喷气推进实验室（JPL）院内的一幢矮层研究建筑内，试验台上摆满了各种致动设备原型以及测试装置，Bar-Cohen开始回顾他已经了如指掌的关于该领域的历史。他说：人造肌肉“很长一段时间内，人们一直在寻找不用电动马达就可以移动物体的方法，因为马达对于许多应用而言显得太过笨重。在EPAs出现之前，马达的标准替代技术是压电陶瓷，该技术曾一度是研究的热点。” 在压电材料中，机械应力可导致晶体电极化，而且反之亦然。用电流刺激这种材料将使其变形；通过改变其形状可以产生电。 Bar-Cohen从一张实验长椅上拿起一只浅灰色的小碟子，说：“这块碟子由PZT（锆钛酸铅）制成。”他向我们解释：电流使得压电PZT产生收缩或者膨胀，幅度只有不到其总长度的百分之一。尽管变形量很小，但是却有用处。 在隔壁的一间屋子中，Bar-Cohen出示了由PZT碟子驱动的一英尺长的冲击钻，他现在正和JPL的同事以及Cybersonics公司的工程师们一起研制这些PZT碟子。他介绍说：“在这个圆筒内是一叠压电碟子，当被交流电激活时，这叠碟子将以超音速拍打钻头，钻头则以高速率上下跳跃，从而钻入坚硬的岩石。”在另一侧是几堆石块，石块已经被钻出很深的孔眼。 该钻子作为一个范例，说明了用压电陶瓷制作致动器的有效性，的确让人印象深刻。但是，在许多应用中，要求电活化材料的膨胀幅度超过百分之零点几。 高分子液晶是科学家们心目中的硅的理想替代物。过去，许多微观研发工作都是在硅材料的基础上进行的。而越来越多的科学家认为，高分子液晶聚合物的柔韧性比硅好。对液晶聚合体进行精细剪裁加工后，加工出的样品对温度变化、紫外线照射等特定的外界刺激有相应的反应，也比硅的敏感程度高。而且液晶聚合物的制造成本比硅材料更低，加工工艺也更加简单。 相比起硅制的假肢，“人造肌肉”更显神奇。20世纪80年代，科学家们发现，在电流的作用下，高分子液晶材料的分子可以发生形变和扭曲，进而使材料本身产生收缩和弯曲——这非常类似于人类的肌肉，于是科学家们开始研究如何利用高分子液晶材料构造“人造肌肉”。传统的机器人除了关节之外，四肢不能自由活动，如果有了“人造肌肉”，则他们的四肢会更加灵活且发达。 § 仿生学应用 亚利桑那州州立大学的科学家中们从蟾蜍的肌肉构造上获得灵感，设计出了一种“机器肌腱”，这种装置可以模仿蟾蜍的下巴肌肉迅速收缩，产生强大的能量。蟾蜍的肌肉据2008年4月25日每日科学网报道，近日美国科学家利用生物仿生学成功研制出一种最新式的有“生物马达”之称的人造肌肉和装置，这种“生物马达”将极大的提高残疾人假肢的活动功能，有助于医学治疗神经肌肉型疾病，例如帕金森氏症。 来自亚利桑那州州立大学的研究员西宫川认为，人类的肌肉是人四肢活动的马达，只有生产出超级的人造肌肉和装置，才能让残障人士的假肢恢复正常的功能，这种新式的人造肌肉将有可能治疗神经肌肉型疾病帕金森氏症。为此，科学家们利用生物仿生学，通过对蟾蜍和变色龙的肌肉的研究，打造出了这种神奇的“生物马达”。科学家发现，一个蟾蜍的下巴肌肉能够产生大于它自身体重700倍的力量，而变色龙捕食的时候，舌头肌肉收缩时所产生的力量也是非常惊人的。而目前人类所制造的最好的机械设备(动力马达)也只能产生蟾蜍下巴肌肉的三分之一的力量。对于这种神奇的现象，科学家们通过对蟾蜍和变色龙的解剖寻找相关的信息。他们认为蟾蜍下巴的特殊构造是造成其肌肉产生强大力量的原因之一，这种构造可以在最短的时间内贮存力量，适应肌肉所产生的张力，在蟾蜍大脑的操纵下实现肌肉的迅速收缩。 亚利桑那州州立大学的科学家中们从蟾蜍的肌肉构造上获得灵感，设计出了一种“机器肌腱”，这种装置可以模仿蟾蜍的下巴肌肉迅速收缩，产生强大的能量。这种机器肌腱就是“生物马达”，也就是人造肌肉。再配合独有的高端协调辅助设备，可以使假肢等设备和人的大脑信号协调一致，从而提高假肢的运动功能，实现残疾人的正常生活。但是科学家认为，这种模仿蟾蜍制造出的人造肌肉最关键的部分还是高端协调辅助设备，只有通过大脑的操纵实现功能才是生物马达最关键的部分，这个关键部分还需要继续的研究探索。但是科学家表示，这种“生物马达”人造肌肉将会促进神经肌肉学的研究和发展，有助于对人类神经肌肉学的扩展性研究，将生物仿生学和生物动力学有机结合起来，这种神奇的“生物马达”堪称神来之笔，不仅可以帮助残疾人的生活，还推动了科学家对于生物仿生技术的发展。 § 反复实验 SRI小组的领导者Ron Pelrine介绍说：“在与日本签署微型机器计划（Japanese micro-machine program）合同之后，斯坦福研究院（SRI INTERNATIONAL）从1992年开始研究人造肌肉。”他从前是一名物理学家，现在转行做机械工程师。日本官方在寻找一种新型的微致动器技术。几位SRI研究人员开始寻找一种在力学、冲程（线性位移）以及应变（单位长度或单位面积的位移量）等方面的性质与自然肌肉类似的致动材料。 人造肌肉“我们考察了一大堆有希望的活化技术，”Pelrine回忆道。然而，他们最终选择了电致伸缩聚合物，当时来自路特葛斯大学（Rutgers University）的Jerry Scheinbeim正在研究这种材料。这种聚合物中的碳氢分子以半晶体点阵的方式排列，而这种晶阵具有类似压电的属性。 当处于电场中时，所有的绝缘塑料（例如聚亚安酯）将会沿电力线的方向收缩，同时沿垂直于电力线的方向膨胀。这种现象与电致伸缩不同，被称为麦克斯韦应力。Pelrine 说：“这种现象早就为人们所熟知，但一直被当作是一种很麻烦的效应。” 他意识到，比聚亚安酯更软的聚合物在静电吸引作用下将更容易挤压，因而可以提供更大的机械应变。通过对软硅树脂进行试验，SRI的科学家很快证明其应变在10-15%之间，这十分合意。经过进一步研究，这个数字还可以提高到20-30%。为了区别这种新的致动器材料，硅树脂和其他较软的材料被命名为电绝缘橡胶（dielectric elastomers）（也被称为电场活化聚合物。） 在确定出几种有前途的聚合物材料之后，在1990年代剩余的大部分时间内，该小组将注意力集中于研制特定设备应用的具体细节。当时，该SRI研究小组新的外部经费支持和研究方向由美国国防高级研究计划局（DARPA）和海军研究中心（Office of Naval Research）提供，其主管的首要兴趣在于将该技术用于军事目的，包括小型侦察机器人以及轻型发电机。 由于橡胶开始表现出大得多的应变，工程师意识到电极也必须是可以膨胀的。普通金属电极无法伸长，除非将其割裂。Pelrine提到：“起先，人们不用为这个问题操心，因为他们研究的材料所提供的应变只有1%左右。”最后，该研究小组开发出一种基于在橡胶阵列（elastomeric matrix）中填充碳粒的屈从电极（compliant electrodes）。他指出：“由于电极和塑料一起膨胀，它们可以在整个活动区域之间保持电场。”SRI International为该概念申请了专利，它是后来人造肌肉技术的关键之一。 Pelrine急于向我们展示，他拿出一个15厘米见方看上去像相框的东西，其两面的塑料包夹由于膨胀而紧绷着。“看，这种聚合物材料延展性非常好，”他说，同时用一只手指按入其透明薄膜。“它实际上是一种双面胶带，一大卷的价格很便宜。”在中间夹片的两面是黑色、镍币大小的电极，连着导线。 Pelrine拧开电源的控制旋钮。立刻，黑色的圆形电极对开始膨胀，直径增加了四分之一。当他将旋钮拧回到原来位置时，电极马上又收缩至原状态。他咧嘴笑了笑，并且重复操作了好几次，解释说：“根本上，我们的设备就是电容，也就是两块平行的充电平板，中间夹着电绝缘材料。当电源接通时，正负电荷分别在相反的电极上积累。电极平板互相吸引并且挤压中间的绝缘聚合物，并且聚合物的面积扩大。” 尽管已经确定出几种有前途的材料，要想在实际设备中实现可接受的性能的确是一个挑战。然而，该小组在1999年取得的一系列突破引起了美国政府及工业界相当的兴趣。 人造肌肉有人通过观察发现，在电活化聚合物材料之前预先拉伸它，将大大提高其性能。小组的另一位成员Roy Kornbluh工程师回忆说：“我们开始注意到存在一个甜区（sweet point），这时可以获得最优性能。没有人确切地知道为什么，但是预拉伸聚合物可以使击穿强度【电极之间电流通路（passage of current）的阻力】增加100倍之多。”电活化应变提高的幅度与之类似。尽管原因还不是很清楚，SRI的化学家裴其冰（音）认为：“预拉伸可沿平面膨胀方向定位分子链，并且材料使得沿该方向更加坚硬。”为了获得预拉伸效果，SRI的致动器设备采用了一个外部支撑结构。 第二项关键发现得益于研究人员“测试我们所知道的每一种可伸展材料，我们称之为爱迪生方法，”Pelrine愉快地告诉我们。（为找到合适的电灯灯丝材料，托马斯·爱迪生系统地试验过各种材质。）“在我家里，为了不让我那刚会走路的孩子乱拿东西，我们用一把以聚合物材料做的门锁将冰箱锁住。孩子逐渐长大，我们不再需要锁什么东西，因此将锁拿走。由于它是用可伸展材料制成的，我决定测试一下它的应变属性。令人惊讶的是，它拥有极佳的性能。”追溯锁的来源以及分析其组成不是什么难事，最后，这种神秘的聚合物“原来是聚丙烯酸橡胶，它可以提供极大的应变和能量输出，线性应变达380%之多。这两项进展使得我们能够开始将电绝缘橡胶应用到现实的致动器设备中。”该研究人员介绍说。 § 付诸实际 SRI小组的通用研究方法比较灵活，包括许多种设计、甚至包括不同的聚合物。正如裴其冰所说：“这是一台设备，而不是一件材料。”据Pelrine称，该小组能够用不同的聚合物产生活化效应，包括丙烯酸树脂和硅树脂。甚至天然橡胶也能产生一定效应。例如，在外部空间的极端温度环境中，人造肌肉最好采用有机硅塑料，已经证明这种材料可以在零下100摄氏度的真空环境下工作。对于要求更大输出力的应用，可能需要更多的聚合物材料或者将多台设备串联或并联。 SRI成员von Guggenberg 估计：“由于可以买到电绝缘橡胶的现货，而且我们在每台设备至多只用到几平方英尺的材料，因此致动器将会非常便宜，尤其是对于批量生产。” 激活电绝缘橡胶致动器的电压相对较高，通常为1到5千伏，人造肌肉因此该设备可以在非常低的电流下运转（一般而言，高电压意味着低电流）。致动器还可以使用较细、不太贵的导线，并且可以保持相当冷却。Pelrine说：“在到达电场中止以及电流流经（电极之间的）间隔的临界点时，更高的电压将产生更大的膨胀和应力。” Kornbluh评论说：“高电压是一个问题，但它不一定危险。毕竟，荧光灯和阴极射线管都是高电压设备，但是没有人会担心它们。更大的难题是高电压要用于移动设备，因为电池通常是低电压的，因而还需要附加的变压线圈。”而且，在美国宾夕法尼亚州州立大学，张启明（音）和他的研究小组已经在尝试通过将某些电致伸缩聚合物与其他物质结合生成合成物，来降低它们的激活电压。 当被问及电绝缘橡胶的耐久性时，von Guggenberg承认还需要更多的研究，并且证实了一个“合理迹象”，即他们要继续工作足够长时间以实现商业化用途，“例如，我们为一位客户运行的设备可产生5-10%的应变，循环1000万次。”另一台设备可产生50%的面积应变，循环100万次。尽管人造肌肉设备比相应的电动马达要轻得多（聚合物本身的密度与水差不多），SRI仍在通过减少必要的外部预应变设备，来努力减轻其质量。 2004年5月27号日本横滨国立大学渡边正义教授领导的研究小组开发出一种新型人造肌肉，用一节干电池即能驱动，用于微型机器和小型机器人的关节部位十分合适。 据报道，这种人造肌肉形状像口香糖，长约5厘米，宽1厘米，厚几百微米。它由一种随电压变化而伸 缩的高分子材料与一种不易挥发的离子液体混合制成，可以在正常环境下长期使用。 据研究人员介绍，如果在微型机器的关节和驱动部位装上这种人造肌肉，它可像人的关节一样发挥作用。 § 最新成果 2008年03月25日美国加州大学洛杉矶分校的研究人员制造出了一种人造肌肉，它能够自我愈合还能够储存电能给类似于iPod之类的移动设备充电。 据负责该研究项目的加州大学洛杉矶分校 一位研究人员佩·齐平（QibingPei）介绍说，人造肌肉“我们已经成功的研制出了人造肌肉。如果你给它充电，它能够膨胀2倍以上，而且它的运动和能量供应情况和真正的肌肉非常类似”，它能够在外加电场的作用下，通过材料内部结构的改变而伸缩、弯曲、束紧或膨胀，和生物肌肉十分相似. 据报道，科学家对人造肌肉的研究已经进行了几十年，人造肌肉所用的材料种类也很多，有塑料、类似橡胶的聚合物、凝胶以及金属，但是这些材料做成的人造肌肉面临很多问题，比如需要消耗大量能量并且可能经常失效而无法像真正的肌肉那样能自我修补。 研究人员们表示，他们发明的这种人造肌肉伸缩性已能和人的肌肉相媲美，材料自身性能决定，无需马达、齿轮等复杂装置，体积小、重量轻。研究人员称研发的两种人造肌肉性能均非常突出，同时具备燃料电池和肌肉的功能。其中一采用了含催化剂的碳纳米管电极，可作为燃料电池的电极将化学能转化为电能，级电容器的电极来储存电能，还可作肌肉电极将电能再转化为机械能。另外一种是目前最强健的肌肉，是通过混合燃料和空气中的氧气发生催化反应，将化学能能，升高的温度可使制造肌肉的具有形状记忆功能的金属材料用力收缩，冷却后肌肉胀放松。由于这种燃料电池肌肉所使用的外层涂有纳米颗粒催化剂的形状记忆金在市场上买到，这使得它尤其容易在自动装置中得到应用。 人造肌肉又叫电活性聚合物，是一种新型智能高分子材料，它能够在外加电场下，通过材料内部结构的改变而伸缩、弯曲、束紧或膨胀，和生物肌肉十分相似料医学上，人造器官是指能植入人体或能与生物组织或生物流体相接触的材料，有天然器官组织的功能或天然器官部件功能的材料。根据制造器官使用的材料以及其功能科学将人造器官分为三种：机械性人造器官、半机械性半生物性人造器官、生物性人造器官。其中，前两类型种的人造器官移植后会让患者产生排斥反应，对受体来说，适无副作用的是最后一种也就是生物性人造器官。人造肌肉这次新研制成功的人造肌肉则解决了这些问题。研究人员使用更具有弹性且已经被广泛应用的碳纳米管（carbonnanotubes）取代其它金属薄膜来充当电极，这样就避免了因重复使用导致金属膜失效而出现的供电问题。另外，如果碳纳米管某一部分出现问题，它周围剩下的区域就会将其自我封闭起来，使其不会导电，这样就防止了损坏影响到其它区域。 佩·齐平说，“我们对这个新装置已经多次进行了类似的实验，包括用大头针将人造肌肉刺破，结果证明它并没有瘫痪，还能正常工作”。 更神奇的是，这种能自我修复的人造肌肉还能发电和储存电能。当此人造肌肉在膨胀后收缩时，它自身碳纳米管的结构会进行重新排列，这是它就会产生一股小小的电流。并且这股电流是可以储存并加以利用的，例如给下一次肌肉运动扩张提供能量，或者贮存在电池里给类似于iPod的移动设备充电。“它可以将你输送给它的近70%的能量保存下来，” § 主要应用 太空探索需要人造肌肉帮忙人造肌肉机器人上个世纪80年代，科学家发现，非金属材料能在电流的作用下运动，于是开始构想人造肌肉。作为人造肌肉的先驱者，美国航空航天局的科学家约瑟夫·巴·考恩用自己的研究成果证明，通过电流刺激，可使高分子材料自动伸缩和弯曲，研制出具有与人类肌肉相同机能的人造肌肉。 简单地说，人造肌肉由粘合性塑料材料制成，是把管状导电塑料集束成肌肉一样的复合体，在管内注入特殊液体，导电性高分子在溶液中释放出离子，在电流的刺激下完成伸缩动作。通过控制电流强弱调整离子的数量，可以有效改变人造肌肉的伸缩性。相反，通过改变复合体的形状也可以产生电。 人造肌肉具备人类肌肉的功能。在人造肌肉中，一根直径为0．25毫米的管状导电塑料可承重20克，相同的体积，人造肌肉比人体肌肉的力量强壮10倍。 当然，研制人造肌肉，并不是科学家的心血来潮，而是为了排除人类探索自然过程中的障碍。在探测火星和其他星球的科学实验中，传统引擎驱动的机器人，除了关节之外，四肢没有任何可以活动的关联处，能量上自然是捉襟见肘。如果有了人造肌肉，四肢更加发达，能将分子能量的70%转化为物理能量，远远大于电动引擎的功率。近日，一种名为Birod的生物机器人已问世，它可以负载超过自身1.7万倍的重量。Birod既不怕火星的沙尘石，还大大减轻了自身的重量。 人造肌肉可用于军事人造肌肉近年来，美国陆军希望通过“未来士兵装备”计划减轻士兵战斗负荷。麻省理工学院就正在研制用于未来士兵装备的人造肌肉。人造肌肉一旦装入手套、制服和军靴里，士兵就会有超人的力量，举重物、跳过高墙不在话下。 此外，利用人造肌肉可以发电的原理，士兵将不需要自己背发电机，美国斯坦福研究员正在开发一种“脚后跟”发电机，即把人造肌肉材料安装在军靴的鞋跟上，通过步行、跑步等运动就能使其发电。科学家说，利用这一设备，一个普通个头的人每迈出一步就可以产生1瓦特的功率，把这种电能储存起来，随时可以给便携式电话等电器充电，非常适合在野外行动的士兵。 人造肌肉投入商用 如果把人造肌肉仅仅用于战争，那实在太令人遗憾了，可喜的是，未来，凡是需要小型电动引擎来驱动的制造产业，人造肌肉都有用武之地。 汽车制造商就对人造肌肉很感兴趣。一辆汽车通常需要50到100个驱动传动装置，如果这些装置改用人造肌肉作驱动力，不光可增强耐磨性，更能极大地提高功率。 人造肌肉灵活柔软的特性还可以用来制造医用导管和在地震救灾中大显身手的蛇形机器人。 作为生物型机器人的尝试，日本大阪的伊美克斯公司还利用人造肌肉研制成一种可以乱真的机器鱼。机器鱼长6.7厘米，在水中游动的姿态与真鱼没什么差别，更难得的是，它的“耐力”可保持半年时间。机器鱼的肚子里既没有装马达、机轴、齿轮等机械装置，也没有电池，完全是靠伸缩自如的高分子材料自行驱动。 有的科学家甚至想把人造驱动产品带到2004年雅典奥运会上去，这个设想一旦实现，人们将在奥运赛场上看到前所未有的奇观，无论是跳高举重，还是赛跑游泳，人造驱动产品的表现都将令人吃惊。 不管是在军事领域，还是在商业制造领域，人造肌肉都将发挥无可估量的作用。考恩教授说：“我们不需要什么齿轮，也不需要轴承，我们所需要的就是可以导电的高分子材料。这将改变机器人研究的蓝图。”其它应用 人造肌肉是一种在电场的作用下能够伸缩的塑料，在电视和电脑屏幕里，它可以产生真正的逼真色彩。在未来10年内，以这些材料为基础制造的微小的“可调棱镜”，就会出现在改进型显示器上，充当起像素的角色。人造肌肉现有的显示设备，比如电视显像管、液晶显示屏或等离子显示器，都不能完全再现人类能看到的所有颜色。这些屏幕上的每个像素都由3个发光元件构成，每个元件发出三原色（fundamentalcolor，即红、绿、蓝三色）中的一种。显示器将不同亮度的三种颜色混合在一起，就能产生其他的颜色，不过这种方式得到的颜色范围受到限制。 瑞士联邦理工学院苏黎世分校的曼纽尔·阿什万登（ManuelAschwanden）和安德里亚·施特默尔（AndreasStemmer），研制出了一种给屏幕染色的新方法。他们采用了反射式衍射光栅组成的阵列。光栅是一种微小的光学元件，它们的表面布满一系列纤细、平行和等距的凹槽。这些凹槽可以像棱镜一样，把白光分解为缤纷的彩虹。阿什万登说：“拿起一张光盘，用底面斜对着阳光，你就能看到同样的效果：阳光在规则刻划的表面上，反射成了七彩虹光。” 为了检验这种概念的可行性，两位研究者制造了一个包含10个像素的光栅阵列，每一个像素都是一个衍射光栅。阿什万登解释说，白光先照射到一个边长约75微米的光栅上。在光栅表面一层薄薄的聚合物膜上，浇铸着一条条间距1微米的凹槽。施加不同的电压，光栅就会膨胀或收缩，这样照射进来的光线遇到的凹槽就会时疏时密。这种效果改变了光线被反射回去的角度，因而使反射形成的七彩虹光的位置发生明显的偏移。在光栅的前面放上遮光板，只留出一个小孔，这个系统就能分离出特定的颜色，只让这种色彩透过小孔射出来。改变电压，使不同颜色的光对准小孔，系统就能显示不同的色彩。 为了在一个标准显示器上显示复合色（compositecolor），每一个像素将由两个或多个衍射光栅组成。这是必需的，因为一些颜色并不出现在白光分解而成的七彩虹光之中，比如棕色就是如此。人造肌肉阿什万登说，虽然这个系统还太小，无法实际应用，但是它的像素密度却和一个高质量液晶显示器相同。他也坦然承认，他的发明要想应用到某种视频产品上，还有很长的路要走。他们制作的下一个原型系统，将是一个拥有400个光栅的阵列。目前他们“显示器”的工作电压是300伏特，比家庭用电的电压高很多，不过现在正在研制的新材料将会降低这个工作电压。 美国斯坦福大学的电子工程师、硅光机械公司（SiliconLightMachines）创始人之一、微光电子技术的开拓者奥拉夫·索尔高（OlavSolgaard）评论说：“这是彩色显像领域一个非常有趣的成果，不过要达到实用水平，它还需要面对非常严峻的技术挑战。”他列举了几个潜在的技术障碍，比如，为了取得良好的对比度，该如何产生所谓的“全黑像素”；再比如，考虑到光栅“丢弃了相当一部分光线”，又该如何有效地维持图像的亮度。对于被动显示器，也就是那些把周围的白光反射成图像的显示器来说，这项技术也许非常有用，它们可以被应用到手机上。 不管怎么说，苏黎士的研究人员并没有局限在显示器上，他们正在开拓其他的应用领域。他们已经研制出一台高分辨率显微镜的原型样机，其原理是，利用人造肌肉膜改变单色光束的方向。“对光线进行调整或变向，是许多光学系统的基础，”阿什万登强调，“这一成果为完成这些任务提供了一种便宜而且精准的方法。” |
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