編譯 許林玉

長期以來，電動機常用于交通運輸領域。由于電動機能夠提供清潔的機械驅動力，而且規(guī)格多樣，因此也廣泛應用于泵、壓縮機、風扇和自動扶梯等，幫助實現(xiàn)自動化運動。

與電動機相對應的生物——天然肌肉，應用還要廣泛得多。人體共有600多塊肌肉，它們可以使心臟跳動、調節(jié)面部表情或協(xié)助運動。通過使用電能、熱能或化學能模擬肌肉功能的制動器可以產生運動，幫助實現(xiàn)更多的自動化應用，其用途也將會得到更多的擴展。在2019年7月出版的《科學》雜志中，刊登了三篇有關人造肌肉的論文，三篇論文的作者穆九柯、苑金凱和梅米特·卡尼克（Mehmet Kanik）等分別介紹了新型纖維狀人造肌肉，它們充分利用了捻曲和卷曲的幾何結構的力學優(yōu)勢。

這些纖維狀制動器通過調整纖維內的材料成分和結構（見圖1），獲得了無與倫比的卓越性能。以電、熱或化學形式施加的外部刺激會改變材料的微觀結構，使其產生大范圍運動（應變）和力（應力）（見圖2）。這些制動器由輕質聚合物制成，其能量密度為骨骼肌的50倍以上，能夠舉起高于自身重量1 000余倍的物體。它們都具有類似的捻曲或卷曲形狀，可以通過加熱來驅動。穆九柯等人和卡尼克等人還使用了自發(fā)卷曲的纖維。當受到刺激時，纖維會沿軸向收縮，骨骼肌也會利用收縮來消除肌肉在承受重量時發(fā)生屈曲的風險。

穆九柯等人通過選擇性地構建一個包裹非能動芯的活性殼層（外層是提供機械能輸出的主要部分，而紗芯的纖維在機械能轉換過程中貢獻甚少），對聚合物紗線的橫截面進行調整，以此提高人造肌肉的性能。殼層在外界驅動下擴張膨脹，針對不同的驅動，他們采用多種不同的聚合物作為殼層材料來響應。例如，乙醇蒸汽吸收驅動時采用PEO-SO3（聚環(huán)氧乙烷與四氟乙烯和磺酰氟乙烯醚共聚物的混合物）殼層，電熱驅動時采用聚氨酯殼層，而電化學驅動時則采用碳納米管（CNT）殼層。

內芯具有恢復剛度的性能，可以引導纖維進行捻曲運動。穆九柯等人采用多種類型的紗線作為內芯，如捻曲的碳納米管、聚丙烯腈、絲綢和竹子。與目前使用的魚線肌肉相比，他們對這些纖維的成分進行了精心調整，僅將對驅動響應的材料置于外部殼層，這種設計由于其他能量擴散到響應材料的路徑更短，因此其響應速度也更快。當膨脹力作用于紗線的最外層時，其作用效果更為明顯，此時局部纖維的偏斜也最大。這種響應材料分布于殼層的方式使芯紗沒有被填充，因此在降低其質量密度的同時提高了其能量密度。結果表明，乙醇蒸汽吸收驅動的PEO-SO3殼層肌肉的功密度可達2.12千焦/千克，而電熱驅動的聚氨酯殼層肌肉的功密度可達1.33千焦/千克。

穆九柯等人的纖維設計觸及到了未曾探索的領域，在提高人造肌肉性能的同時，也降低了它們的成本。纖維芯本質上可采用任何具有高扭曲剛度和高強度重量比的商用紗線，如竹纖維或尼龍纖維，而驅動響應材料只用于外部薄的殼層。只需在尼龍紗線周圍包裹一層較昂貴的碳納米管，就可以實現(xiàn)電化學驅動，這種驅動可能比受限于卡諾循環(huán)的熱驅動更節(jié)能。

苑金凱等人還利用捻曲納米復合纖維設計了高性能微發(fā)動機。他們以分散性氧化石墨烯薄片填充的聚乙烯醇（PVA）為基質，合成了這種纖維。PVA是一種形狀記憶聚合物（SMP），可以在高溫下編程至一定形狀（高度捻曲結構），然后在捻曲形狀固定時進行熱淬火處理。當再次加熱至略高于編程溫度時，捻曲的纖維可做迅速解捻的機械運動，恢復其直線形狀。

在纖維中添加5%的氧化石墨烯薄片，就能大大提高發(fā)動機的性能，因為氧化石墨烯薄片能夠提高剛度，使纖維具有更高的扭矩并有助于解捻。氧化石墨烯薄片的幾何形狀對提高性能至關重要，因為它們須在纖維內部大幅彎曲、折疊和捻曲，以便在捻曲編程步驟中存儲大量彈性能量。此外，氧化石墨烯薄片能夠提供臨界強度和韌性，可將更多的機械能在纖維斷裂之前儲存在纖維內。此前，波林（Poulin）與其同事曾對納米復合PVA纖維的優(yōu)異韌性進行研究，并發(fā)現(xiàn)了這種增強性能。

制備工藝采用納米顆粒分散和濕紡技術。這種熱驅動的納米復合形狀記憶聚合物纖維的功密度達到創(chuàng)紀錄的2.8千焦/千克，可以手動重新編程，并在失效前至少使用10次。這種制動器可以連接至一個彈性紗線核心，以提供一個復原扭矩，使它可以像人造肌肉一樣重復驅動。

卡尼克等人通過機械拉伸大型非均相聚合物鋼錠，制作了一種類似于兩面神結構的人造肌肉纖維。這種纖維的一側為環(huán)烯烴共聚物彈性體（COCe），另一側為聚乙烯（PE）。得益于這種兩面神橫截面，這些肌肉在冷拉伸過程中產生的殘余應力的驅動下能夠自卷。PE在拉伸過程中發(fā)生形變，拉伸速度與外拉伸速度相同，而COCe在拉伸過程中只出現(xiàn)部分形變，同時儲存部分彈性能量。在拉伸過程中放松時，纖維就會自發(fā)卷曲。由于PE和COCe之間的熱機械性能不匹配，導致纖維在受到熱刺激時收縮，僅加熱至約40℃即可達到7.42 千焦/千克的最大功密度。生產這些纖維的工藝可用于產業(yè)化生產。

這三份報告中達到的高能量密度驅動的機理尚不清楚。關鍵因素是捻曲或卷曲過程中儲存的彈性能量，這讓人聯(lián)想到機械彈簧電池（機械彈簧電池受到刺激膨脹后會釋放一些在卷繞過程中儲存的彈性能量）。所能儲存的能量與纖維的韌性有關，這三種纖維的非均質成分都有助于增強斷裂韌性，受刺激后釋放的能量也與這些纖維的膨脹量和膨脹過程中彈性模量的變化有關。

通過這三項研究，我們可以一窺這些材料在未來自動化進程中的前景。穆九柯等人介紹，當用這類纖維制成的織物受到刺激時，它們可以膨脹并改變孔隙度，這種織物可用于響應各種刺激，如血糖測量，適用于醫(yī)學應用。在苑金凱等人的研究中，他們用纖維推動了一艘小船。由此我們發(fā)現(xiàn)，這些纖維在未來可被用于推動微型“游泳運動員”，尤其是考慮到它們與細菌的鞭毛具有相似性?？峥说热耸褂脟娫诶w維上的納米線網格，通過壓阻效應來測量纖維的收縮，使反饋控制能夠精確地驅動這些肌肉。

盡管這三種纖維制動器都具有極高的能量密度，但其能量效率極低，通常都小于6%。即便效率如此之低，它們仍可用于驅動小型機器人、給藥系統(tǒng)，或用于無需大量機械工作的變形結構。與自然骨骼系統(tǒng)一樣，纖維制動器采用鉸鏈結構或鉸接結構，具有復雜的運動學特性。從長遠來看，這些人造肌肉可能非常適合于環(huán)境敏感的變形結構和動力材料，這需要新的高能效設計。