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/
同時也有10000部Youtube影片,追蹤數超過2,910的網紅コバにゃんチャンネル,也在其Youtube影片中提到,...
「nano materials science」的推薦目錄:
- 關於nano materials science 在 台灣物聯網實驗室 IOT Labs Facebook 的最佳解答
- 關於nano materials science 在 Scholarship for Vietnamese students Facebook 的最佳貼文
- 關於nano materials science 在 Scholarship for Vietnamese students Facebook 的精選貼文
- 關於nano materials science 在 コバにゃんチャンネル Youtube 的最佳解答
- 關於nano materials science 在 大象中醫 Youtube 的精選貼文
- 關於nano materials science 在 大象中醫 Youtube 的最佳解答
nano materials science 在 Scholarship for Vietnamese students Facebook 的最佳貼文
[Tổng hợp] Học bổng Erasmus Mundus ngành Khoa học Thông tin/Kỹ thuật
Tuần trước Page đã viết một bài chia sẻ thông tin chung về học bổng Erasmus Mundus (EM) - một trong những cái tên hot nhất làng học bổng toàn phần của Liên minh châu Âu. Hôm nay chị tổng hợp một số học bổng cho bạn nào dự định học ngành Khoa học Thông tin hay Kỹ thuật nhé.
1. Electric Vehicle Propulsion & Control
- Học về lĩnh vực di động điện tử (e-mobility), tìm ra các giải pháp cho vấn đề tiêu thụ hóa thạch (fossil consumption) và khí thải nhà kính (greenhouse gas emission)
- 4 trường tham gia: Ecole Centrale de Nantes (Pháp), Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (Đức), Università degli Studi dell’Aquila (Italy), Universitatea Politehnica din Bucuresti (Romania)
- Link: https://master-epico.ec-nantes.fr/
2. EMerald Master Course in Resources Engineering
- Thời gian học: 2 năm (120 ECTS)
- Tổ chức bởi 4 trường: University of Liège, University of Lorraine, Luleå University of Technology và Technische Universität Bergakademie Freiberg.
- 4 mảng chính: Resources Engineering, Characterisation, Processing, Modelling and Management.
- Link: https://www.emerald.uliege.be/
3. Mechatronic Engineering
- SV tốt nghiệp sẽ có đủ điều kiện làm việc chuyên nghiệp trong lĩnh vực mechatronics (cơ điện tử)/ micro-mechatronics (vi cơ điện tử)
- Nói ít nhất hai ngôn ngữ ở châu Âu :)
- Chương trình giảng dạy bởi 5 trường ĐH từ Đức, Pháp, Tây Ban Nha, Nga và Ai Cập
- Link: http://www.eu4m.eu/
4. Master in Materials Science for Energy applications & using Large scale Facilities
- SV học về các nguyên tắc cơ bản của Vật liệu (cấu trúc và động lực học của vật chất ngưng tụ, các tính chất hóa học, cơ học và vật lý của vật liệu); đồng thời học về các ứng dụng liên quan đến năng lượng (chuyển đổi, lưu trữ và hiệu quả năng lượng, vật liệu nano, vật liệu địa chất, vật liệu thông minh)...
- Deliver bởi 6 trường từ 4 nước: Pháp, Đức, Italy và Ba Lan.
- Link: https://www.mamaself.eu/
5. Advanced Design of Ships and Offshore Structures
- Chuyên môn đa dạng: thiết kế du thuyền, thủy động lực học, kết cấu ngoài khơi, sản xuất, thiết kế tàu, năng lượng biển tái tạo, v.v.
- Ngoài tiếng Anh, SV còn có cơ hội học tiếng Pháp, Đức, Ý, Tây Ban Nha, Ba Lan,...
- Cơ hội thực tập trong 3-5 tháng
- Link: http://www.emship.eu/
🌍📚Những #Schofan quyết tâm xin học bổng hay chuẩn bị kĩ cho nhiều học bổng khác nữa từ giờ thì mau mau đăng kí lớp tìm và apply học bổng #HannahEd đã có lịch các lớp tháng 10,11 và chương trình Mentor, Review hồ sơ, Tập phỏng vấn. Inbox page, email [email protected] hoặc điền link này để đăng ký luôn:http://tiny.cc/HannahEdClass
Link này để nhận thêm thông tin:
http://tiny.cc/HannahEdClassInfo nhé.
https://hannahed.co/lop-tim-va-nop-hoc-bong/
❤️Like và share nếu các em thấy thông tin có ích nhé ❤️
#HannahEd #duhoc #hocbong #sanhocbong #scholarshipforVietnamesestudents
nano materials science 在 Scholarship for Vietnamese students Facebook 的精選貼文
[Tổng hợp] Top 5 học bổng châu Âu 2020-2021
Gần về những ngày cuối năm không biết cả nhà đã thi xong hết chưa, có kế hoạch gì trong kì nghỉ sắp tới chưa nhỉ? Bạn nào đang tìm kiếm học bổng ở châu Âu thì nhất định phải đọc luôn bài viết dưới đây nha. Hôm nay chị làm một bài tổng hợp để Schofan có nhiều lựa chọn hơn khi cân nhắc xin học bổng du học nè. Deadline cũng sắp cận kề nên chúc cả nhà nhanh chóng tìm được học bổng phù hợp và kịp thời apply nhé😀. Chị đang ở châu Âu nên có gì cứ nhắn chị. Các lớp học bổng HannahEd, Mentor, Review hồ sơ, Mock interview luôn sẵn sàng cho cả nhà ❤️
1. Eiffel Scholarship Program of Excellence 2020
- Bậc học: thạc sỹ, tiến sỹ
- Ngành học: Engineering Science; Exact Sciences; Mathematics; Physics; Chemistry; Life Sciences; Nano- and Biotechnology; Earth Sciences; Sciences of the Universe; Environmental Sciences; Information and Communication Science and Technology; Economics and Management; Law and Political Sciences
- Học bổng:
Thạc sỹ: trợ cấp sinh hoạt hàng tháng €1,031 + vé máy bay + phí hoạt động văn hóa + tiền nhà + hỗ trợ €150/tháng
Tiến sỹ: trợ cấp sinh hoạt hàng tháng €1,400 + vé máy bay + phí hoạt động văn hóa + tiền nhà
- Deadline: 09.01.2020
- Link: https://www.campusfrance.org/en/eiffel-scholarship-program-of-excellence
2. Swedish Institute Scholarship 2020
- Bậc học: thạc sỹ (1-2 năm)
- Số lượng: 300
- Ngành học: Agriculture, Horticulture, Forestry, and Fishery; Arts, Design and Media; Computer Science and Engineering; Business Administration and Economics; Education/Educational Sciences/Didactics; Law and Legal Studies; Materials, Construction, and Manufacturing; Mathematics; Health and Medical Care; Humanities; Journalism, Communication, and Information; Languages; Technology; Veterinary Medicine and Nursing; Natural Science; Religious Studies; Social Science and Behavioural Science; Social Work and Welfare
- Học bổng: học phí + hỗ trợ hàng tháng SEK 10,000 + vé máy bay SEK 15,000 + bảo hiểm + một số phí khác
- Deadline: 15.01.2020
- Link: https://si.se/en/apply/scholarships/swedish-institute-scholarships-for-global-professionals/#how-to-apply
3. Holland Government Scholarship 2020
- Bậc học: đại học và thạc sỹ
- Ngành học: tất cả các ngành
- Học bổng: €5,000 cho năm học đầu tiên
- Deadline: 01.02.2020 hoặc 01.05.2020
- Link: https://www.studyinholland.nl/finances/scholarships/highlighted-scholarships/holland-scholarship/holland-scholarship
4. University of Debrecen Stipendium Hungaricum Scholarship 2020
- Bậc học: đại học (4 năm), thạc sỹ (2 năm) và tiến sỹ (3 năm)
- Ngành học: tất cả các ngành
- Học bổng: học phí + hỗ trợ hàng tháng 43,700 HUF + tiền nhà + bảo hiểm + vé máy bay
- Deadline: 15.01.2020
- Link: https://edu.unideb.hu/page.php?id=260&_ga=2.102342785.1829889507.1573403370-1625703280.1573403370
5. Belgium Government Scholarship 2020
- Bậc học: thạc sỹ (1 năm), training (4-6 tháng)
- Học bổng: toàn phần
- Deadline: 10.01.2020 hoặc 07.02.2020
- Link: https://www.ares-ac.be/en/cooperation-au-developpement/scholarships/masters-and-training-programmes-in-belgium
❤ Tag và chia sẻ bài viết đến bạn bè nếu thấy có ích em nhé ❤
#HannahEd #duhoc #hocbong #sanhocbong #scholarshipforVietnamesestudents