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人工肌肉重大突破登上《Science》，多國科學家聯合實現全新驅動機理

作者 雷鋒網 | 發布日期 2021 年 02 月 11 日 0:00 |

2021 年，機器人已經「成精」了，公然吵架、組團熱舞再也不是人類專屬。在許多人心裡，機器人還是僵硬、機械甚至冰冷，即便如此，技術日新月異，柔性機器人快速發展，我們對機器人的刻板印象也該打破了。

科學家設計的軟體機器人外形可謂五花八門，比如：

磁場驅動的軟體機器人，看上去像花瓣。

會奔跑、能游泳、能舉重物的「小獵豹」。

可用於軍事行動的隧道快速挖掘機器人。

其實，軟體機器人的設計往往與一種智慧材料有關：人工肌肉。最近這領域中國科學家聯合美、韓、澳等多國學者有了新突破。

相比傳統人工肌肉，這次設計出的人工肌肉有無毒、驅動頻率高（10Hz）、驅動電壓低（1V）、高比能量（0.73~3.5J/g）、高驅動應變（3.85~18.6%）、高能量密度（高達 8.17W/g）特性。

奈米碳管線為何物？

2021 年 1 月 29 日，題為「Unipolar-Stroke, Electroosmotic-Pump Carbon Nanotube Yarn Muscles」（單極衝程、電滲泵奈米碳管線肌肉）的論文發表於著名學術期刊《科學》（Science）。

論文出自哈爾濱工業大學（複合材料與結構研究所）、江蘇大學（智慧柔性機電研究所）、常州大學（江蘇省光伏科學與工程協同創新中心）、美國德州大學達拉斯分校、伊利諾大學厄巴納香檳分校、南韓漢陽大學、首爾大學、澳洲臥龍崗大學、迪肯大學等團隊。

論文題目有個看起來高深的詞「奈米碳管線」（Carbon nanotube yarns）。談研究細節前，先來解決一個問題：奈米碳管線為何物？

奈米碳管線源自奈米碳管，這是具特殊結構的一維量子材料，徑向尺寸為奈米量級、軸向尺寸為微米量級、管子兩端基本都有封口。外形上，它是由呈六邊形排列的碳原子構成的數層同軸圓管，層與層之間的固定距離約 0.34 奈米，而圓管的直徑一般為 2~20 奈米。

據了解，奈米碳管為一維奈米材料，重量輕、有完美連接結構，因此有獨特力學、電學、化學性能。基於這些特性，奈米碳管線也應運而生。據字面意思可知，這是透過拉伸和鬆弛、碳基奈米管纖維製成的緊密絞合線。

不同於普通線，奈米碳管線其實是種超導體，還可當電池使用。早在 2011 年，德州大學就與美國企業展開合作，致力將奈米碳管線推向市場。

2017 年，德州大學達拉斯分校又研製出名為 Twistron 的奈米碳管線。

研究團隊的李娜博士受訪時表示：

這些線本質上是種超級電容器，但無需外加電源充電。因奈米碳管與電解質的化學電勢不同，當線浸入電解質時，一部分電荷會嵌入。線拉伸時，體積減小，使電荷相互靠近，電荷產生的電壓增高，從而獲得電能。

2014~2016 年，哈爾濱工業大學博士生楚合濤至德州大學達拉斯分校接受訓練，正是自那時起，哈爾濱工業大學冷勁松教授課題組與德州大學達拉斯分校 Ray H. Baughman 教授課題組，開始了有關奈米碳管線人工肌肉的研究。

這次正是博士畢業生的楚合濤為論文共同作者之研究。

人工肌肉性能達到新突破

那麼，奈米碳管線和人工肌肉之間，又有什麼關係？

論文介紹，滲透離子（不論正負）會影響著長度、直徑的變化，因此奈米碳管線可用作電化學致動器。據悉，奈米碳管線人工肌肉是典型的智慧材料，主要透過熱、電化學兩種方式驅動，兩種驅動方式有差別。

根據熱力學定律，熱驅動受卡諾循環效率（Circulation efficiency in Kano，一高溫熱源溫度 T1 和一低溫熱源溫度 T2 的簡單循環）制約──比電化學驅動能量轉換效率更高，有更廣闊的應用前景。

基於這點，研究團隊構建全固態肌肉（all-solid-state muscle）。透過向線滲透帶電聚合物，纖維開始部分膨脹，隨著離子損失長度會增加，增加肌肉的總衝程。

哈爾濱工業大學表示，研究人員首次發現透過聚電解質功能化的策略，可達成人工肌肉智慧材料的「雙極」（Bipolar）驅動轉變為「單極」（Unipolar）驅動（如下圖），同時發現人工肌肉隨電容降低、驅動性能增強的反常現象（Scan Rate Enhanced Stroke，SRES）。

研究人員發現這些效果：

做到單一離子嵌入、嵌出的「單極」效應，解決「雙極」效應反向離子的嵌入、嵌出引起的性能降低問題，提高工作效率與能量密度等性能；

人工肌肉隨掃描速率增加，驅動性能增加，解決了傳統人工肌肉驅動性能的電容依賴性問題。

哈爾濱工業大學認為：

此重要突破解決了人工肌肉驅動性能的電容依賴性問題，為後續設計具有無毒、低驅動電壓的高性能驅動器提供新的理論基礎。

值得一提的是，此突破在空間展開結構、仿生撲翼飛行器、可變形飛行器、水下機器人、柔性機器人、可穿戴外骨骼、醫療機器人等領域有巨大的應用潛力。

關於作者

早在 1990 年代初，哈爾濱工業大學複合材料與結構研究所就確立智慧材料與結構的研究方向。哈工大在這領域的探索離不開一個名字──冷勁松。

冷勁松畢業於哈爾濱工業大學複合材料專業，2004 年起擔任哈工大航天學院複合材料與結構研究所教授、博班導師。

1992 年起，冷勁松就開始開展智慧材料系統和結構的研究，主要研究方向包括智慧材料系統和結構系統、光纖傳感器、結構健康監控、複合材料結構設計和工藝技術、可變翼飛行器、結構振動主動控制、光纖通訊和微波光電子器件、微機電系統等等。

另外，冷勁松也在 International Journal of Smart & Nano Materials 擔任主編，《Smart Materials & Structures》和《Journal of Intelligent Material Systems and Structures》等國際雜誌擔任副主編。2006 年入選中國教育部新世紀優秀人才計劃，2007 年入選長江學者特聘教授，2018 年當選歐洲科學院物理與工程學部外籍院士（Members of the Academia Europaea）。

論文通訊作者之一正是冷勁松。

2020 年 3 月 4 日，冷勁松教授團隊與美國馬里蘭大學 Norman M. Wereley 教授團隊的共同研究成果發表於國際著名期刊《Soft Robotics》，展示受象鼻啟發、可伸展／收縮的氣動人工肌肉基礎上設計的新型彎曲螺旋可伸展／收縮氣動人工肌肉（HE-PAMs / HC-PAMs）。

這次研究，將使團隊在人工肌肉方面的探索更深入。

資料來源：https://technews.tw/2021/02/11/unipolar-stroke-electroosmotic-pump-carbon-nanotube-yarn-muscles/

《MIT 科技評論》12/22

* 【麻省理工能源計劃主任：能源危機迫在眉睫，哪些技術最關鍵？】隨著全球人口和經濟的增長，人類對能源的需求已達到了前所未有的水平。然而，為了應對日益迫在眉睫的全球氣候變暖，降低溫室氣體的排放也刻不容緩。

2006 年，麻省理工學院發起了一項能源倡議（MITEI），旨在開發突破性技術，通過創建低碳和無碳（比如太陽能、核能等）的解決方案來有效和可持續地滿足全球能源需求，減緩氣候變化。Robert Armstrong 博士作為該倡議的主任，推動了與多家能源巨頭的合作落地，截至目前，多家跨國公司都是該倡議的會員單位。在該倡議的框架下，到底什麼技術能在未來重整全球的能源系統，塑造未來的世界呢？

Armstrong 在 EmTech China 全球新興科技峰會上為世人描繪未來能源的藍圖。

* 【蘇黎世聯邦理工學院 Simone Schuerle：用磁場控制納米機器人抗癌 | EmTech現場】20 世紀 60 年代，科幻片《神奇旅程》（Fantastic Voyage）第一次向人們描繪了這樣的場景：利用微縮科技進入人體內部修復受損的細胞。隨著科技的發展，該影片裡的很多猜想現在都已實現。

納米醫療技術專家、蘇黎世聯邦理工學院助理教授 Simone Schuerle 就曾發明過一種由 3D 打印而成的、可受外部磁場操控的微型機器人。這種機器人能夠向腫瘤等病變組織輸送納米顆粒藥物，實現更精准的標靶給藥。

這種技術到底有什麼神奇之處？它又會如何改變我們的生活？在全球新興科技峰會的講台上，Schuerle 現身說法，分享了自己和她所帶領的團隊在這個領域取得的最新成果，並展望了納米醫療技術光明的未來。

* 【如何養活未來的91億人口？解決方案或許不在農村，而在城市】據聯合國的最新預測，2050 年世界人口將從今天的 68 億增加到 91 億，即在今天的數字上增加三分之一。

人口增長的絕大部分將來自發展中國家。預計非洲撒哈拉以南地區人口增速最快（增長高達 108%，即 9.1 億人），東亞和東南亞人口增速最為緩慢（增長 11%，即 2.28 億人）。到 2050 年，全世界居住在城市或城區的人口將從今天的 49% 增至 70% 左右。

這意味著什麼？意味著到 2050 年，水果、堅果和蔬菜等 「健康」 食物的生產，產量需要提高約 95%，糧食產量必須增長 70%，才能給全球人口提供充分的健康飲食。而與之相對應的是，全球可耕地面積已經到達了理論極限。

* 【新研究證實：女性頻繁染髮將會增加患乳腺癌風險】愛美之心人皆有之，有些女生時常會羨慕西方人的金髮碧眼，天生自然卷的人會羨慕別人黑長直的秀髮。不管男生女生，在追求美的方式上，總是多種多樣，比如化妝、戴美瞳、假髮、燙染頭髮等。其中，關於女性經常使用的染髮劑是否可能導致癌症，是近幾十年科學家們一直在爭論的話題。

近日，一項基於 45,000 多名女性醫療記錄的研究發現，永久染髮劑與乳腺癌（尤其是黑人女性）之間呈正相關。相關論文發表在《國際癌症期刊》（ International Journal of Cancer，IJC）上，該研究表明，經常使用永久染髮劑的女性可能將罹患乳腺癌的風險提高，其中黑人女性患乳腺癌幾率比不經常使用染髮劑染髮的黑人女性高出 60％。

這個結果其實並不令人驚訝，因為在日常生活中我們也會經常聽說，頻繁染燙頭髮是對人體有害的，我們也會擔心永久染髮劑和直發劑中的化學物質可能會致癌。

* 【NASA資助重測月球亮度，要將精度提高到99％以上】月亮到底有多亮？

人們或許因為它是地球唯一的天然衛星，也是距離地球最近的天體，對它的研究很充分，所以會覺得月球的亮度應該是一個很容易回答的問題。但是，你錯了。

人們通常觀測月球的方式都是在地球上通過大氣層來進行的，這樣就產生了很多的乾擾，讓月球表面反射的陽光量無法以超過 97% 的準確度進行計算。

而現在，科學家們提出了一個計劃，他們要利用一架可在高空飛行的 NASA ER-2 飛機進行觀測。這架飛機的飛行高度可達 21.3千公尺（70,000 英尺），這差不多是商用民航客機巡航高度的兩倍。

* 【12/20日波音載人飛船首飛遭遇失敗！SpaceX領先半步，遲來的私營載人航天時代】近日因 737 Max 客機停產深陷困境的波音公司在航天領域再遭打擊，醖釀近10 年、由波音開發的 Starliner 載人飛船首次飛行即遭遇失敗。

台北時間12 月 20 日晚上 7 點 36 分，一枚宇宙神 5 號火箭在美國肯尼迪卡納維拉爾角空軍基地中心發射升空。經過多次延期的波音 Starliner 載人飛船正式開始首次無人測試飛行。

運載火箭將飛船送上預定高度後船箭正常分離。但 Starliner 飛船在後續利用自身發動機點火的過程中出現意外，在火箭升空 1 小時後，任務組表示飛船未能進入與國際空間站對接所需的預定軌道。

* 【基因編輯高清細節首次被捕獲，新工具改進CRISPR系統的不足 ​】12 月 18 日《自然》(Nature)雜誌在線發表了一篇題為 Structural basis of DNA targeting by a transposon-encoded CRISPR-Cas system 的新研究，來自哥倫比亞大學的科學家們利用冷凍電子顯微鏡捕獲了一種新的基因編輯工具的首批圖像。

該團隊在霍亂弧菌中發現了一種獨特的「跳躍基因」，其可以在不引入 DNA 斷裂的情況下往基因組中插入大量的遺傳有效載荷，研究人員以此開發了一個新的基因編輯工具，稱為 INTEGRATE（Insertion of transposable elements by guide RNA-assisted targeting）。

* 【曾協助確認「金州殺手」，這家DNA系譜網站被美執法系統關聯公司收購】數字 DNA 數據庫時代，還有什麼是可以永遠保密的？

美國知名系譜網站之一 GEDmatch 近日宣佈，網站已經被新東家、法醫基因組公司 Verogen 收購。

兩年前，GEDmatch 還是一個鮮為人知的系譜網站，只有大約 100 萬名「DNA 偵探愛好者」知道它，他們通過該網站來完善自己的家譜。現年 81歲 的Curtis Rogers 和 68 歲的 John Olson 在 2010 年創辦了 GEDmatch 網站，最初，他們兩個人運營這個網站，編寫算法來幫助親屬們找到對方，而且採用免費、公開的形式。總之，這是一個和諧的地方。

然而到了 2018 年 4 月，這一切都改變了。當時有消息稱，警方利用 GEDmatch 網站確定了 40 年前金州殺人案的一名嫌疑人。

* 【東京大學機器人學會修理自己，可節省大量維修時間】機器人身上開始出現越來越多的仿人關節，這在讓它們更靈活的同時，也意味著要鉚更多的螺絲釘。

這給維護人員增加了不少工作量，必須要花費大量時間去檢查和維修，給機器人擰螺絲。

東京大學的研究人員 Takayuki Murooka、Kei Okada 和 Masayuki Inaba 意識到了這個問題，經過一系列研究之後，他們教會了機器人自己擰緊螺絲，而且，機器人還順便學會在自己背上安了一個掛鈎，方便人們掛包包。

* 【精確度超過94%！仿生神經元芯片可植入體內智能起搏】科學家一直在嘗試模仿大腦，但尚未實現仿生單個神經元。英國巴斯大學物理學教授 Alain Nogaret 及同事研發了一種仿生神經元電行為的硅芯片，他們設計了微電路模仿離子通道，後者可以像神經元一樣整合原始神經刺激並做出響應。

研究認為，這種仿生神經元芯片能夠模仿大腦神經細胞傳遞信號的機理，有望用於治療癱瘓以及阿爾茲海默症這類腦退化病症等慢性病和致命性疾病。

該研究發表在近日的《自然 - 通訊》（Nature Communications）期刊上。

* 【 「智慧紐約」設計師Hassan Adekoya：智慧城市要提高效率，更要保證平等】大數據時代，人工智能和物聯網正在重構現代城市。作為這個領域的先行者，紐約市怎麼做的呢？紐約市城市規劃部門的首席設計師Hassan Adekoya 博士認為，對於紐約這顆永不入睡的 「大蘋果」 來說，智慧城市既要提高政策制定的效率，更要保證城市裡每一位市民都平等地享受城市發展帶來的紅利。

全世界的城市都在努力提高宜居性，紐約也是如此。Adekoya 認為，維持城市吸引力的關鍵在於提供高品質的基礎設施。在今天，這意味著最新的技術在交通、醫療、居住等所有領域內的應用。而智能決策正在成為決定紐約這座不夜城未來投資方向和資源分配的關鍵。

MIT科技評論11/10

* 【具有里程碑意義的結核病疫苗已進入人體試驗的最終階段】知名製藥公司葛蘭素（GSK）在《新英格蘭醫學雜誌》發表了一個新生產關於新型結核病（TB）疫苗功效的2b期人體試驗。最終結果，大約50%的疫苗接種對象，可長期安全免受破壞性疾病的侵害。現在，該研究將進入試驗的最終階段，未來7到10年內進行臨床實驗。

* 【MIT研發出可自組裝成各種結構的變形機器人，或將用於救災】MIT電腦科學和人工智能實驗室CSAIL 提出了一個簡單的想法：自組裝機器人成為立方體，讓他們上下攀爬、旋轉跳躍、互相識別。現在，這樣的自形組裝機器人已能完成簡單的任務，比如形成一條直線或跟蹤一束光。除了救災，它們將被應用於製造業、醫療等領域。

* 【一大波機器狗列隊跑進MIT，集體空翻+帶球過人】列隊入場，集體空翻，在一場機器人足球賽上帶球過人。一場歡樂的機器人秀在麻省理工學院的校內草坪上演。

近日，美國麻省理工學院生物實驗室（MIT’s Biomimetics Robotics Lab）展示了一大群四足機器人（或稱為機器狗）。這也是該實驗室在機器人領域的最新進展。

實驗室將機器狗命名為：迷你獵豹（mini cheetah）。這是一種輕量化四足機器人，同時採用了模塊化設計。

* 【新型兩足機器人問世，真正「人機合一」】進入陌生環境中怎麼活動？這對人來說，不成問題，但換上機器人，就一籌莫展了。科學家找到了一個捷徑來解決這個難題：模仿。他們創建了一個人機界面，可以將人的動作映射到兩足機器人身上。

因為有人的輔助，這款機器人可以執行此前從未進行過的操作任務。更重要的是，這個機器人可用於災難應對。作者在論文引言描述道，如果在 2011 年 3 月就有此技術的話，機器人可以承受致命核輻射水平，從而在第一個 24 小時內進入日本福島第一核電站進行操作，福島核電廠反應爐可能就會及時穩定下來，那場核事故的災難後果就會大大減輕。

這項研究發表在 10 月 30 日的《科學機器人》（Science Robotics）上，作者是伊利諾伊州大學香檳分校機械科學與工程系助理教授 João Ramos 和麻省理工學院機械工程系副教授 Sangbae Kim。

* 【DeepMind全種族打敗《星際2》人類玩家， AI全面征服即時戰略遊戲之巔】官宣！DeepMind AI 開發的星際爭霸 2 AI"AlphaStar"進化成了完全體"AlphaStar Final"，三個種族（神族、人族和蟲族）均達到歐服戰網宗師組級別，最高達到 6275 分，在遵守所有遊戲規則的情況下，超越了 99.8% 的歐服玩家！有關新版 AlphaStar 的論文也登上了Nature 雜誌。

根據 DeepMind 介紹，AlphaStar 於今年 7 月正式登陸星際 2 戰網，開始以匿名的方式和歐服天梯玩家對戰，以確保得到公平對戰。得益於新算法的幫助，完全體版本 AlphaStar Final 的競技水平突飛猛進。

在不到 4 個月的時間里，它使用每個種族進行了 30 場天梯比賽，三個種族的水平都達到了宗師級別：神族 6275 分（勝率 83%），人族 6048 分（勝率 60%），蟲族 5835 分（勝率 60%）。

* 【苦等140年後，一個新公式奠定半導體電學測量新里程碑】近日，一篇刊登於 Nature 期刊的文章，向世人展示了一項霍爾效應苦等 140 年的應用。

這篇文章的名字十分明𥇦：「Carrier-resolved photo-Hall effect」，意為「能解析載流子信息的光霍爾效應」。文章中介紹了一種全新的測量方法，能夠同時測量導電材料中兩種載流子的重要信息，可以為新型的太陽能電池材料和光電材料提供有力的檢測手段和指導方向；同時，這一突破可以讓我們更加詳盡地瞭解半導體的物理特性，對研發和改進半導體材料有著重大意義。

* 【SpaceX完成載人飛船關鍵測試，領先波音公司，明年正式升空】載人飛船發射時間臨近，SpaceX 近日再完成發射前的關鍵測試。

在經過了數次重大改進之後，SpaceX 近期又對龍飛船降落傘進行了一系列測試。昨日，SpaceX 在其官方推特上展示一段測試視頻，顯示載人龍飛船的降落傘系統共有 4 個降落傘組成，其中一個降落傘有意不展開，以證明即使出現部分故障時，該系統也能幫助飛船安全著陸。

據介紹，最新測試的降落傘已經是 SpaceX 開發的第三代降落傘，在材料上使用了一種名為 Zylon 的高性能纖維材料，取代此前使用的尼龍材料。Zylon 材料也曾被 NASA 用來製作高空氣球，在 SpaceX 的降落傘系統中，這種材料支撐的繩索在強度上達到了尼龍的 3 倍。此外 SpaceX 還改進了降落傘的縫合方式，進一步優化降落傘的平衡。

* 【美軍最神秘太空飛機返回地球，飛行780天，具體任務是個謎】近日，美國空軍宣佈其著名的軌道試驗飛機 X-37B 在肯尼迪航天中心成功著陸。這台迷你航天飛機於 2017 年 9 月由一枚 SpaceX 的獵鷹九火箭送上軌道，直到重返地球，該飛機在天上飛行了近 780 天，創下了該型號的最長在軌時間紀錄。

X-37B 是一款屬於美國空軍的太空飛機，也是目前 X-37 項目中使用的飛行器。其外觀上與航天飛機相似，但在尺寸上要小得多，同時不具備載人能力。飛機長約 8.8公尺，高 2.9 公尺，翼展不足 4.6 公尺，差不多是一輛小客車的尺寸。

該飛機的起飛重量僅為 5 噸左右。

一直以來，X-37 都是一個頗為神秘的項目，美國軍方極少透露該飛機的具體任務目的和行蹤，對飛機上的每個有效荷載也都嚴格保密。這也引起了不少外界的猜測，甚至認為 X-37B 是一架太空戰鬥機。不過這些說法都被美國軍方否認。

*【研究人員已能從人的頭髮中檢測出精神分裂的生物標誌物】人類毛髮中隱藏著很多秘密——結核病、腸胃病、貧血以及動脈粥樣硬化都可以透過頭髮進行判斷。近日，日本RIKEN腦科學中心的科學家們在對小鼠和人類死後的大腦組織樣本進行檢測，發現精神分裂的一種亞型與大腦中異常高水平的硫化氫有關，而大腦中的硫化氫水平可以反映在頭髮中。這意味著在未來，醫生將能對頭髮樣本進行簡單分析來判斷一個人是否患有精神分裂症。

* 【警鐘：以糞便微生物治療移植致一人死亡！技術試驗監管升級】今年年初，美國兩名免疫功能不全的臨床實驗者在接受了含有耐藥細菌的糞便微生物移植（fecal microbiota transplantation, FMT）臨床試驗後，發生嚴重感染，其中一名 73 歲患者不幸死亡。

隨後於 6 月，美國食品和藥品監督管理局（FDA）發佈通知，警告糞便微生物移植治療方法存在嚴重的潛在健康風險，甚至可能危及生命。同時，FDA 緊急叫停了一系列相關臨床試驗。