2021 年，机器人已经“成精”了，公然吵架、组团热舞再也不是人类专属。在许多人心里，机器人还是僵硬、机械甚至冰冷，即便如此，技术日新月异，柔性机器人快速发展，我们对机器人的刻板印象也该打破了。
科学家设计的软件机器人外形可谓五花八门，比如：
磁场驱动的软件机器人，看上去像花瓣。
会奔跑、能游泳、能举重物的“小猎豹”。
可用于军事行动的隧道快速挖掘机器人。
其实，软件机器人的设计往往与一种智慧材料有关：人工肌肉。最近这领域中国科学家联合美、韩、澳等多国学者有了新突破。
相比传统人工肌肉，这次设计出的人工肌肉有无毒、驱动频率高（10Hz）、驱动电压低（1V）、高比能量（0.73~3.5J/g）、高驱动应变（3.85~18.6%）、高能量密度（高达 8.17W/g）特性。
奈米碳管线为何物？
2021 年 1 月 29 日，题为“Unipolar-Stroke, Electroosmotic-Pump Carbon Nanotube Yarn Muscles”（单极冲程、电渗泵奈米碳管线肌肉）的论文发表于著名学术期刊《科学》（Science）。
论文出自哈尔滨工业大学（复合材料与结构研究所）、江苏大学（智慧柔性机电研究所）、常州大学（江苏省光伏科学与工程协同创新中心）、美国德州大学达拉斯分校、伊利诺伊大学厄巴纳香槟分校、韩国汉阳大学、首尔大学、澳洲卧龙岗大学、迪肯大学等团队。
论文题目有个看起来高深的词“奈米碳管线”（Carbon nanotube yarns）。谈研究细节前，先来解决一个问题：奈米碳管线为何物？
奈米碳管线源自奈米碳管，这是具特殊结构的一维量子材料，径向尺寸为奈米量级、轴向尺寸为微米量级、管子两端基本都有封口。外形上，它是由呈六边形排列的碳原子构成的数层同轴圆管，层与层之间的固定距离约 0.34 奈米，而圆管的直径一般为 2~20 奈米。
据了解，奈米碳管为一维奈米材料，重量轻、有完美连接结构，因此有独特力学、电学、化学性能。基于这些特性，奈米碳管线也应运而生。据字面意思可知，这是透过拉伸和松弛、碳基奈米管纤维制成的紧密绞合线。
不同于普通线，奈米碳管线其实是种超导体，还可当电池使用。早在 2011 年，德州大学就与美国企业展开合作，致力将奈米碳管线推向市场。
2017 年，德州大学达拉斯分校又研制出名为 Twistron 的奈米碳管线。
研究团队的李娜博士受访时表示：
这些线本质上是种超级电容器，但无需外加电源充电。因奈米碳管与电解质的化学电势不同，当线浸入电解质时，一部分电荷会嵌入。线拉伸时，体积减小，使电荷相互靠近，电荷产生的电压增高，从而获得电能。
2014~2016 年，哈尔滨工业大学博士生楚合涛至德州大学达拉斯分校接受训练，正是自那时起，哈尔滨工业大学冷劲松教授课题组与德州大学达拉斯分校 Ray H. Baughman 教授课题组，开始了有关奈米碳管线人工肌肉的研究。
这次正是博士毕业生的楚合涛为论文共同作者之研究。
人工肌肉性能达到新突破
那么，奈米碳管线和人工肌肉之间，又有什么关系？
论文介绍，渗透离子（不论正负）会影响着长度、直径的变化，因此奈米碳管线可用作电化学致动器。据悉，奈米碳管线人工肌肉是典型的智慧材料，主要透过热、电化学两种方式驱动，两种驱动方式有差别。
根据热力学定律，热驱动受卡诺循环效率（Circulation efficiency in Kano，一高温热源温度 T1 和一低温热源温度 T2 的简单循环）制约──比电化学驱动能量转换效率更高，有更广阔的应用前景。
基于这点，研究团队构建全固态肌肉（all-solid-state muscle）。透过向线渗透带电聚合物，纤维开始部分膨胀，随着离子损失长度会增加，增加肌肉的总冲程。
哈尔滨工业大学表示，研究人员首次发现透过聚电解质功能化的策略，可达成人工肌肉智慧材料的“双极”（Bipolar）驱动转变为“单极”（Unipolar）驱动（如下图），同时发现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）。
研究人员发现这些效果：
- 做到单一离子嵌入、嵌出的“单极”效应，解决“双极”效应反向离子的嵌入、嵌出引起的性能降低问题，提高工作效率与能量密度等性能；
- 人工肌肉随扫描速率增加，驱动性能增加，解决了传统人工肌肉驱动性能的电容依赖性问题。
哈尔滨工业大学认为：
此重要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、低驱动电压的高性能驱动器提供新的理论基础。
值得一提的是，此突破在空间展开结构、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、医疗机器人等领域有巨大的应用潜力。
关于作者
早在 1990 年代初，哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所就确立智慧材料与结构的研究方向。哈工大在这领域的探索离不开一个名字──冷劲松。
冷劲松毕业于哈尔滨工业大学复合材料专业，2004 年起担任哈工大航天学院复合材料与结构研究所教授、博班导师。
1992 年起，冷劲松就开始开展智慧材料系统和结构的研究，主要研究方向包括智慧材料系统和结构系统、光纤传感器、结构健康监控、复合材料结构设计和工艺技术、可变翼飞行器、结构振动主动控制、光纤通讯和微波光电子器件、微机电系统等等。
另外，冷劲松也在 International Journal of Smart & Nano Materials 担任主编，《Smart Materials & Structures》和《Journal of Intelligent Material Systems and Structures》等国际杂志担任副主编。2006 年入选中国教育部新世纪优秀人才计划，2007 年入选长江学者特聘教授，2018 年当选欧洲科学院物理与工程学部外籍院士（Members of the Academia Europaea）。
论文通讯作者之一正是冷劲松。
2020 年 3 月 4 日，冷劲松教授团队与美国马里兰大学 Norman M. Wereley 教授团队的共同研究成果发表于国际著名期刊《Soft Robotics》，展示受象鼻启发、可伸展／收缩的气动人工肌肉基础上设计的新型弯曲螺旋可伸展／收缩气动人工肌肉（HE-PAMs / HC-PAMs）。
这次研究，将使团队在人工肌肉方面的探索更深入。
- Unipolar stroke, electroosmotic pump carbon nanotube yarn muscles
- 冷劲松教授团队在人工肌肉领域取得重大突破
（本文由 雷锋网 授权转载；首图来源：shutterstock）
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