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人造肌肉

事實揭露 揭密真相
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人造肌肉的研究開始於20世紀40年代,但真正取得進展則是最近10餘年的事,這是由於近年來特殊聚合體材料和智能材料[1]的誕生,為人造肌肉的研究提供了新的發展契機,那些新材料往往具有一些不同凡響的本領。

一些材料可以根據電流變化呈現出各種複雜的狀態,例如,彎曲、延伸、扭動和收縮等,並且它們的行為非常接近真正的肌肉纖維。開發人造肌肉不僅對醫學具有重大意義,而且對機器人[2]技術的發展也至關重要。

組成結構

人造肌肉又叫電活性聚合物,是一種新型智能高分子材料,它能夠在外加電場下,通過材料內部結構的改變而伸縮、彎曲、束緊或膨脹,和生物肌肉十分相似。醫學上,人造器官是指能植入人體或能與生物組織或生物流體相接觸的材料,有天然器官組織的功能或天然器官部件功能的材料。根據製造器官使用的材料以及其功能科學將人造器官分為三種:機械性人造器官、半機械性半生物性人造器官、生物性人造器官。其中,前兩類型種的人造器官移植後會讓患者產生排斥反應,對受體來說,適無副作用的是最後一種也就是生物性人造器官。

人造肌肉狀材料是根據生物學原理,由3種氨基酸(纈氨酸、脯氨酸和甘氨酸)按一定順序排列而構成的,它類似於人的肌肉纖維,具有彈性,且能隨環境溫度和化學成分(如pH值)的變化而伸縮。由於它能模擬活體的生物過程,於是,人們把這種材料稱為生物聚合物。

技術原理

來自亞利桑那州州立大學的研究員西宮川認為,人類的肌肉是人四肢活動的馬達,只有生產出超級的人造肌肉和裝置,才能讓殘障人士的假肢恢復正常的功能,這種新式的人造肌肉將有可能治療神經肌肉型疾病帕金森氏症。為此,科學家們利用生物仿生學,通過對蟾蜍和變色龍的肌肉的研究,打造出了這種神奇的「生物馬達」。

科學家發現,一個蟾蜍的下巴肌肉能夠產生大於它自身體重700倍的力量,而變色龍捕食的時候,舌頭肌肉收縮時所產生的力量也是非常驚人的。而目前人類所製造的最好的機械設備(動力馬達)也只能產生蟾蜍下巴肌肉的三分之一的力量。對於這種神奇的現象,科學家們通過對蟾蜍和變色龍的解剖尋找相關的信息。他們認為蟾蜍下巴的特殊構造是造成其肌肉產生強大力量的原因之一,這種構造可以在最短的時間內貯存力量,適應肌肉所產生的張力,在蟾蜍大腦的操縱下實現肌肉的迅速收縮。

亞利桑那州州立大學的科學家中們從蟾蜍的肌肉構造上獲得靈感,設計出了一種「機器肌腱」,這種裝置可以模仿蟾蜍的下巴肌肉迅速收縮,產生強大的能量。這種機器肌腱就是「生物馬達」,也就是人造肌肉。再配合獨有的高端協調輔助設備,可以使假肢等設備和人的大腦信號協調一致,從而提高假肢的運動功能,實現殘疾人的正常生活。但是科學家認為,這種模仿蟾蜍製造出的人造肌肉最關鍵的部分還是高端協調輔助設備,只有通過大腦的操縱實現功能才是生物馬達最關鍵的部分,這個關鍵部分還需要繼續的研究探索。但是科學家表示,這種「生物馬達」人造肌肉將會促進神經肌肉學的研究和發展,有助於對人類神經肌肉學的擴展性研究,將生物仿生學和生物動力學有機結合起來,這種神奇的「生物馬達」堪稱神來之筆,不僅可以幫助殘疾人的生活,還推動了科學家對於生物仿生技術的發展。

科學家對人造肌肉的研究已經進行了幾十年,人造肌肉所用的材料種類也很多,有塑料、類似橡膠的聚合物、凝膠以及金屬,但是這些材料做成的人造肌肉麵臨很多問題,比如需要消耗大量能量並且可能經常失效而無法像真正的肌肉那樣能自我修補。

研究進展

全世界主要有3個研究中心參與人造肌肉的研究,其中兩家在美國,一家在瑞士。將於美國舉行的掰手腕比賽,會檢驗它們之中誰的產品最出色,而人類的胳膊屆時也會接受一次挑戰。

數十年前,構建致動器或者致動設備的工程師就已經為肌肉找到了一種人造替代物。作為對神經刺激的響應,肌肉只須改變長度就能夠準確地控制其施加的力量,例如眨眼睛或舉起槓鈴。同時,肌肉還表現出比例恆定的屬性:對於各種尺寸大小的肌肉,其機理都一樣,相同的肌肉組織既可以給昆蟲、也能夠為大象賦予力量。因此,對於難以製作電動馬達的驅動設備,某種類似肌肉的東西也許會有用武之地。

EPAs號稱要成為未來的人造肌肉。研究人員已經在雄心勃勃地工作,希望能夠為許多當代的技術尋找基於EPA的可選方案,而且不害怕將他們的發明物與自然物競爭。幾年前,有幾個人,包括來自美國加利福尼亞州帕薩迪納市噴氣推進實驗室(JPL)的高級科學家Yoseph Bar-Cohen,向電活化聚合物研究團體發起了一項挑戰,以激發人們對該領域的興趣:展開一項競賽,看誰能夠最先製造出EAP驅動的機器人手臂,而且必須在與人的手臂的一對一掰手腕比賽中取勝。然後,他們開始尋找贊助商的資助,為優勝者頒發現金作為獎勵。

最有前途的工作也許是美國斯坦福研究院(SRI International)正在做的研究,SRI是基於加利福尼亞州門洛帕克市的一家非盈利的合同型研究實驗室。SRI管理層希望能夠在幾個月內,將所需資金中的400-600萬美元作為最初投資,組建一家讓產易股的公司(暫時命名為人造肌肉綜合公司)以實現其專利EPA技術的商業化。SRI手裡仍然有着六項研發合同,甲方包括美國政府以及來自玩具、汽車、電子、機械產品和鞋類行業的公司。SRI正在努力,以期儘快將人造肌肉推向市場。

2008年03月25日美國加州大學洛杉磯分校的研究人員製造出了一種人造肌肉,它能夠自我癒合還能夠儲存電能給類似於iPod之類的移動設備充電。據負責該研究項目的加州大學洛杉磯分校一位研究人員佩·齊平(QibingPei)介紹說,"我們已經成功的研製出了人造肌肉。如果你給它充電,它能夠膨脹2倍以上,而且它的運動和能量供應情況和真正的肌肉非常類似",它能夠在外加電場的作用下,通過材料內部結構的改變而伸縮、彎曲、束緊或膨脹,和生物肌肉十分相似。

據2008年4月25日每日科學網報道,美國科學家利用生物仿生學成功研製出一種最新式的有「生物馬達」之稱的人造肌肉和裝置,這種「生物馬達」將極大的提高殘疾人假肢的活動功能,有助於醫學治療神經肌肉型疾病,例如帕金森氏症。

2012年11月,一種擁有廣泛用途的革命性超強壯人造肌肉問世,其由石蠟填充的碳納米管纖維製造而成,可驅動超過自身體重10萬倍的重物,並提供超過天然骨骼肌85倍以上的機械功率。

2014年2月21日,最新研究表明,那些漁民們用來捕魚的最普通的尼龍絲可以成為強大的人造肌肉的製作材料,並且可以製作一種「智能」服裝,這種「智能」服裝能夠根據天氣的變化來進行溫度調節。

2023年,瑪麗女王大學科學家新開發的電動人造肌肉,可集成到複雜的柔性機器人系統中,有望徹底改變柔性機器人和醫療應用等領域。

技術特點

活動自由工作更持久

現行的機器人或機械手臂受到能量限制,只能在電源附近活動。因此,美國國防部高級計劃研究署一直希望能研發出一種能像人類一樣自由活動、而且自身可以供應能量的新型裝置,於是便有了這種超級仿生肌肉的模型。據研究人員介紹,這種仿生肌肉的最大好處就是能量由燃料供應,以彌補電池功能的諸多不足。仿生肌肉可以自由活動,而且能工作更長時間,不會因電池短命而動不了,也不必時刻綁個電源在身邊。

按照研究人員的設想,仿生肌肉研製成功後,將能完成人類和機器人各自無法獨立做到的事情。它能像人類一樣到處行動,能像自然手臂一樣靈活運用,還能「綁」在「外骨骼」上,使消防員、士兵和宇航員等特殊行業的人擁有超人般的力量。有了它,也許消防員就可以只手撐起倒塌的建築材料,而戰場上的士兵也可以變成不知疲倦的「超人」。

比常人肌肉強100倍

為了實現這些功能,美韓兩國科學家聯手開發了兩種仿生肌肉,以適應不同需要。

一種是把化學能轉化成電能。它用含有催化劑的碳納米管彎曲搭建出肌肉塊、「燃料細胞」電極和超級電容器電極,它們會在充滿氫的環境中,源源不斷地產生電源。

另一種是把化學能轉化成熱能。它利用氫和乙醇反應提供能量,配合特製的記憶金屬絲。例如,當溫度降低時,金屬絲就會收縮,催化劑減少作用,人造肌肉就會放鬆收縮。這種方法打造出來的人造肌肉力量最大,舉力是正常骨骼肌肉的100倍以上。

有循環系統也有神經

不過目前看來,這兩種肌肉都沒有一點肌肉的樣子,它們只是一堆電線、懸臂和玻璃瓶。惟一能夠區別於機械臂的特點就是它們能夠像生物一樣「呼吸」:吸入氧氣,釋放乙醇和氫,提供能量。

這種情況完全可能。加拿大學者指出:「事實上,人造肌肉已成功複製出了很多生物特點。比如說,它有循環系統,氧和燃料可以通過循環系統輸送,為肌肉本身提供化學反應的場所,然後做出機械動作;它還有神經,由特殊電路組成,能夠做出反應並控制自己的行為;它還能存儲能量,並像人類的肌肉一樣,直接對接觸做出判斷反應。」

具體用途

人造肌肉伸縮性已能和人的肌肉相媲美,材料自身性能決定,無需馬達、齒輪等複雜裝置,體積小、重量輕。研究人員稱研發的兩種人造肌肉性能均非常突出,同時具備燃料電池和肌肉的功能。其中一採用了含催化劑的碳納米管電極,可作為燃料電池的電極將化學能轉化為電能,級電容器的電極來儲存電能,還可作肌肉電極將電能再轉化為機械能。另外一種是目前最強健的肌肉,是通過混合燃料和空氣中的氧氣發生催化反應,將化學能能,升高的溫度可使製造肌肉的具有形狀記憶功能的金屬材料用力收縮,冷卻後肌肉脹放鬆。由於這種燃料電池肌肉所使用的外層塗有納米顆粒催化劑的形狀記憶金在市場上買到,這使得它尤其容易在自動裝置中得到應用。

這次新研製成功的人造肌肉則解決了這些問題。研究人員使用更具有彈性且已經被廣泛應用的碳納米管(carbonnanotubes)取代其它金屬薄膜來充當電極,這樣就避免了因重複使用導致金屬膜失效而出現的供電問題。另外,如果碳納米管某一部分出現問題,它周圍剩下的區域就會將其自我封閉起來,使其不會導電,這樣就防止了損壞影響到其它區域。佩·齊平說,「我們對這個新裝置已經多次進行了類似的實驗,包括用大頭針將人造肌肉刺破,結果證明它並沒有癱瘓,還能正常工作」。

更神奇的是,這種能自我修復的人造肌肉還能發電和儲存電能。當此人造肌肉在膨脹後收縮時,它自身碳納米管的結構會進行重新排列,這是它就會產生一股小小的電流。並且這股電流是可以儲存並加以利用的,例如給下一次肌肉運動擴張提供能量,或者貯存在電池裡給類似於iPod的移動設備充電。「它可以將你輸送給它的近70%的能量保存下來,」

值得一提的是,人造肌肉的服務對象不僅僅是人類本身。研究者介紹,人造肌肉還能成為機器人、飛機、海洋艦隊等的幫手。

由於乙醇產生的能量係數比電池等常規能源高出30%,因此,人造肌肉可以安裝在機器人身上充當「電池」。還可以用在假肢上,給假肢新的力量

此外,人造肌肉還可以當作飛機和艦艇的「外衣」。人造肌肉是由碳納米管制造而成,「披」在運輸工具外面,可以使它們運行起來阻力更小、更順利。將來有一天,人造肌肉甚至能夠替代金屬制的心臟起搏器,打造和人類身體更親近的新一代「人造心臟」。

參考文獻