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/
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#kelly美國生活
2010-2011左右的姐姐
有短暫擁有過鼻環(還喜歡扮T)
後來雖然看到氣瘋的陳媽媽改覺得很好看
我個人還是迷信破相漏財說
忍痛拔掉她
最近可能覺得沒洞也是照漏
所以又有點想要鼻環
過了十年竟然還插得進去!!
不知道是不是因為多一個鼻孔
我鼻屎都比較多
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#大大的事就來慢慢的說 #異鄉媽媽奮鬥週記_意外 #文長
最近想到自己,就會有心酸酸的感覺,是很心疼。
距離上次寫文療癒自己,又過了快二十天,我很想紀錄這之間發生的一些美好事物,別被負面情緒和他人的不解影響,用力把現實的不順遂轉換成另一種生活方式的能量,而不是在原地哀怨打轉。
但,那些美好的事,其實看來就同小確幸那樣微不足道,它們如陽光般被渴望地存在,卻常因太習慣而忽略。「算了,這不用記吧」,只是一個念頭,一會兒就真的忘了。深刻地還記得Jivan讓我發笑的一個論點,是他在吃雞肉的時候說:「媽媽,這隻雞太吵了,我就把牠吃掉。」「牠怎麼會太吵?」「就以前的雞早上在叫,咕咕咕太吵了,讓我們不能再睡覺,所以就只好吃掉牠。」我覺得他好好笑,明明自己每天就是我們家天還沒亮就在那邊吵的雞啊!然後雞也只是盡忠職守,怎麼要因為這樣吃了牠呢?
想想這些平淡卻會會心一笑的事,我就比較不會心疼自己了。有個星期六,我打開蓮蓬頭,蹲在浴室裡哭,突然很迷失自己的價值感,對於當前被困住的情況感到好累好煩,頭一遭釋放了自己累積許久的委屈,「我為什麼要在這裡?」還是很難撇開異樣對待的冷眼啊⋯⋯還是會想對過去的自己大喊:「妳別跑太遠啊!」
然後哭完我又好了。這些其實也都不需要寫的,人生本來就有低潮的嘛,都只是暫時的,振作起來,找方法排解,不放棄生活就好。
/
又過了一週,我每天都在等下一個天亮。
星期一,重新對自己感到驕傲,我知道我可以的。排除眾眼光,以媽媽兼學生的身分帶著Jivan去上德文課,還用一點點的德文和Mira的老師溝通。在山丘上的家、專設給學生的孩子的臨托中心,和課堂間穿梭,實在很捨不得要在Mira初滿一歲時分離三小時,畢竟我在德國的職責是做她全時陪伴的母親,但迫於生活的需要,跳脫文盲的窘態,只得如此安排。想到去接她時,一見到我就放聲大哭趴在地上等著我去抱的模樣,就覺得喜感妹怎麼連這時候都這麼可愛,演技派和Jivan是一脈的真傳,只有自家人能超越自家人。
星期二,是連Ra都直呼我太不可思議的一天。德國幼稚園很重視所謂的適應期,其實也就是漸進式融入新生活,(關於在如此艱難環境中找到還有名額的幼稚園,我也覺得自己好棒,天知道這一區有多不容易),Jivan這一週也開始進行每週一到二小時的幼稚園行程,他已經盼了玩伴好久。
交通距離上的耗力耗時,把每件代辦事項都壓縮的很緊湊,幼稚園是只要沒有準時接,就會被歸類為「Bad parents」,有權把我們踢出去。我再次殺進殺出。傍晚,在迎風吹來會倒吸一口氣的零度中,騎到城市的另外一座山的體育館,很有勇氣的報名了Jivan的體操課,不只是孩子會陌生卻步,我又何嘗不是加緊屁股硬著頭皮前進呢?
「媽媽,妳陪我,我會怕」,「那還要進去嗎?我不能陪你上課,但可以在旁邊等你。我們一起來到了這麼遠,要試試看嗎?」他一邊玩體操,一邊和我眼神確認,我們都做到了。一位聊起來的德國媽媽對我說:「你們才到這裡六週?哇!可是看起來已經非常有秩序呢!」organized,嗯?這不正是我在努力的嗎,太好了!生活開始像樣了!一片漆黑騎到家時已經八點,兩個孩子都在拖車裡睡著,很精實的一天。
/
星期三,在晨霧中拉著拖車,下山進城到孩子們註冊的小兒科醫生做氣喘檢查,Jivan在這裡已經氣喘發了兩次,我們在半夜求助無門,揪心地聽著他大口喘息和咳嗽,不懂到底哪裡做錯了,還一直以為到了德國空氣好了孩子的身體也會好。拿到了救急的呼吸噴劑後,又再度要趕去Jivan的幼稚園。
我狼狽不堪,手腳冰冷但全身冒汗。站在幼稚園門口,老師很慎重地說她今天沒辦法收Jivan,因為她有事要忙,若是無法全心顧到新來的孩子,就乾脆改天再來,我心情很煩燥,為什麼連這種事都連絡不好,我就不必在山間風火輪亂竄。死命踩上坡,一個大迴轉準備下坡。
重力加速度正要開始,那台車突然出現,意外就這樣發生了。
下著毛毛細雨,輪胎不聽使喚時我甚至來不及想到完蛋了,一切都很清晰,連痛也是。我看著前方那台駕駛座裡的德國男人的眼睛,他的表情肯定跟我一樣驚嚇,時間和空氣像凝結了一般,直到我的嘴唇重重地吻向柏油地,整個人摔在濕漉漉的斜坡上。但我沒有想到自己,我彈坐了起來,摀著臉,著急地指向滑下坡的拖車,Kinder kinder(小孩、小孩)!副駕駛座的男人跑下車,迅速拉住一直滑下坡的拖車,我才感到自己的無助。
山間小鎮上三叉口的地段,一個不會說德文的亞洲女孩。駕駛座的男人跑向我,蹲著說了好多德文,我搖著頭,擠出了幾個單字:背包、手機、我老公。一位從另一路口開上坡的女士目睹了這一切,她說她好害怕拖車也翻,完全明白身為母親的恐懼。接著她和駕駛座的男人把我扶到路邊,因為斷過兩次手,我知道這種痛不是骨折,至少。女士趕緊又從車上拿了毛毯和紗布給我,我把手從嘴前挪開,才知道手套上已都是血。我心想,還好有穿了厚厚的手套和褲子,它們用自己的破裂來保全我身體的完好。
「我的牙齒還在」,我試著要幽默地和那女士展現自己的樂觀。她點點頭,拍拍我的肩。
電話通了,駕駛座男人和Ra連絡上。我望向拖車裡的兩個孩子,兄妹倆都沒有哭,從拖車旁的透明塑膠看著他們的媽媽。然後救護車就來了,我堅持等到Ra到現場接手孩子們,同時間醫護人員把我抬上車,固定脖環,檢查我的傷勢。
說起來很諷刺,第一次坐上救護車竟然是在異鄉,我到德國的第四十七天,連居留證和健保卡都還沒有領到。在車裡頭,以眼睛轉動可及的範圍檢視周圍,膝蓋、後腦、和鼻嘴間的疼痛,我勉強麻痺的雙唇擠出一些含糊不清的英文,回應著醫護人員的問話。直到見到Ra,躺在擔架上武裝的我,才溼了眼眶,他說他會去借車,醫院見,然後我孤孤單單地被送進了醫院。
等待醫生的過程似乎有一兩個小時,我無法閉上眼入睡,心酸酸地,想著上天的考驗如此折騰,但我試著正面地告訴自己:「如果這些勢必是躲不過的,那現在我意識清楚地躺在這裡已是最大的幸運,一切都很幸好,一切我來承擔就好。」X光和撞擊後的內臟檢查都很仔細溫和,唯獨臉部傷口縫合時,沒有麻醉,拳頭緊握著,我不想在無關痛癢的人面前顯示自己的懦弱。
天要全黑前,我跛著腳走出急診,全身發抖,老公和孩子們等在門的另一端,我們都盡可能在這陌生的國度少一點徬徨。Jivan檢視完我的傷,很貼心地過來牽住我的手,Mira則是一直要往我身上撲過來討抱。回家的路上,我的堅強癱軟了,哭著對Ra說:「我真的不想要看起來這麼笨拙⋯⋯對不起⋯⋯」,說不清楚的心疼和疲累,往肚裡吞的寂寞,那道突破困頓的曙光,被生活的玩笑重擊。明明就已經這麼努力了,為什麼。
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原諒我,只能流水帳般寫完這一篇異鄉生活紀錄,還不小心夾雜了很多眼淚。事發一週之後,我總算忍到牙根的手術,再縫了八針,下週拆線,希望就是否極泰來的開始,也是我的生日。
這十幾天以來,其實快樂的簡單時刻很多,小小的四口之家有滿滿的愛與扶持,我要相信會慢慢變好的,像傷口結痂那樣。
「那些沒有打倒你的,會讓你更強壯⋯⋯」,我不抱怨,我在這裡學著和疼痛和平相處,學著放下與接納「就是沒辦法」,別人的可憐、同情,或是想看又不敢直視我的臉的表情,更讓我明白:妳呀!一定要懂得心疼自己,快抱抱自己吧!跌跌撞撞如果真的很辛苦,就不要再勉強了,替自己哭一哭,我們再重新站起來。
#這三週生活照_很多很雜_有破相照慎入喔
#平安是福
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阿還有我們保持著一個愉悅的氛圍來看待這件事何況說臉會破相破財說我的洞 ... 好想穿鼻環呀~超愛最後一張圖那樣的鼻環,但是本身鼻子超容易過敏而且 ... ... <看更多>
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首po就是分享我的血淚經驗:
我上禮拜打了鼻翼的鼻洞,結果這幾天越看越不對勁,鼻環的那顆球已經陷進我的肉裡面
了,看起來超像是從鼻子裡面長出來的一樣。
我今天去穿環店給店員看,然後立刻就換環了,換成類似鼻針的東西,重點是我的鼻子已
經被之前鎖太緊的環壓凹一個洞還不知道會不會彈回來,最好就不要給我破相:(
這是3/22剛打好的樣子,這樣才是正常的
3/24已經逐漸下陷的樣子
3/28的示意圖
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※ 文章網址: https://www.ptt.cc/bbs/tattoo_ring/M.1648448143.A.2D7.html
※ 編輯: lizhen21 (101.10.6.167 臺灣), 03/29/2022 16:31:37
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