人工肌肉研究获新突破,未来可让仿生飞行器飞的更高、更远、更久

2021-01-31 15:06:04 来源: 科技日报 作者: 李丽云

科技日报记者 李丽云

如何让智能材料性能更优异、结构更简单、生物相容性更好,国内外科研人员一直在开展着科研攻关。

1月31日,科技日报记者从哈尔滨工业大学获悉,长期从事智能材料结构力学及应用研究的哈尔滨工业大学冷劲松教授团队联合国内外科研伙伴,在智能材料之一人工肌肉领域取得新的重大突破,解决了人工肌肉驱动性能的电容依赖性问题,为后续设计具有无毒、低驱动电压、高功率密度的高性能驱动器提供了新的理论基础。如果将这一成果应用到未来仿生飞行器的驱动上,将让飞行器更轻盈,可以飞得更高、更远、更久;如果应用到生物领域,其无毒特性将让医疗机器人具有更好的生物相容性;如果应用到柔性机器人领域,其低驱动电压、高能量密度等特点可满足机器人在更广泛、更复杂的环境下使用。1月29日,相关研究成果以“单极冲程、电渗泵碳纳米管纱线肌肉”(Unipolar-Stroke, Electroosmotic-Pump Carbon Nanotube Yarn Muscles)为题,在线发表于著名学术期刊《科学》(Science)上。

哈尔滨工业大学与美国德克萨斯大学达拉斯分校、江苏大学、韩国汉阳大学、澳大利亚卧龙岗大学等单位合作,首次发现通过聚电解质功能化的策略,可实现人工肌肉智能材料的“双极”(Bipolar)驱动转变为“单极”(Unipolar)驱动,同时发现了人工肌肉随电容降低,驱动性能增强的反常现象(Scan Rate Enhanced Stroke, SRES),这一重要发现和突破为人工肌肉后续应用展示了更广阔的前景。

哈尔滨工业大学为该论文的共同通讯作者和共同第一作者单位,其中冷劲松教授为共同通讯作者(江苏大学丁建宁、哈尔滨工业大学冷劲松、美国德克萨斯大学达拉斯分校Ray H. Baughman),其博士毕业生楚合涛为共同第一作者(楚合涛、胡兴好、王锺、穆九科)。

据楚合涛介绍,目前,新材料正由轻质、多功能化向智能化方向发展。智能材料(Smart Materials)是指一类可以在外界激励下做出主动响应的新材料,具有自驱动、自监测、自修复等多种功能,在人工智能、智能制造、生物医疗、机器人等领域具有广泛的应用前景。该团队研究的聚合物纤维与碳纳米管纱线人工肌肉是一种典型的智能材料,主要通过热、电化学两种方式实现驱动。

   人工肌肉类型以及“单极”、“双极”驱动特征对比

但热驱动受到卡诺循环效率的限制,影响了其应用潜力。相比而言,电化学驱动能量转换效率更高,具有更广阔的应用前景。而传统的电化学碳纳米管纱线人工肌肉存在以下几方面的局限性:驱动性能完全依赖于工作电极的电容特性;只能产生单向驱动;需在极低的驱动速率下工作。针对以上问题,本研究通过聚电解质功能化的策略,改变人工肌肉的零点电位:实现了单一离子参与的驱动过程,取代了传统人工肌肉反向离子的共同驱动作用。

这使得人工肌肉不仅可以收缩而且能够伸长,与传统人工肌肉只能收缩的特点大不相同。这一驱动特点可提高人工肌肉的做功效率与能量密度,同时克服了驱动性能的电容依赖性问题。相比于传统人工肌肉,该人工肌肉具有无毒、驱动频率高、驱动电压低、高比能量,高驱动应变以及高能量密度等特性,在空间可展开结构、仿生扑翼飞行器、可变形飞行器、水下机器人、柔性机器人、可穿戴外骨骼、医疗机器人、柔性电子等领域具有巨大的应用潜力。

 在杜善义院士、韩杰才院士的带领下,哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所于20世纪90年代初在国内较早地确立了智能材料与结构的研究方向。在“崇德广业,穷理致用”发展理念的指导下,哈工大冷劲松教授课题组长期从事智能材料结构力学及应用研究,主要研究方向包括形状记忆聚合物及其复合材料结构、人工肌肉、多功能纳米复合材料结构、空间可展开结构、可变形飞行器、柔性机器人、4D打印技术及生物医疗器件、结构健康监测、振动主动控制等。(文中图片受访者供图)

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责任编辑:何沛苁