納米肌肉，採用碳納米管制作出肌肉纖維，通過此纖維製作出來的肌肉比人類肌肉強壯30倍，並提供超過天然骨骼肌85倍以上的機械功率。
基本介紹
- 中文名：納米肌肉
- 製作材料：碳納米管纖維
- 原理：模仿肌肉的機理
- 特點：相同比重下，卻比鋼強100倍
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簡介
南開大學與美國、澳大利亞、韓國、巴西等國的研究人員通過合作研究，發明了一種由石蠟填充的人工肌肉，可以驅動超過自身體重10萬倍的重物，並提供超過天然骨骼肌85倍以上的機械功率。
有關此項研究成果的論文，由南開大學化學學院教授陳永勝的博士生李娜和美國德克薩斯州達拉斯大學教授雷·鮑曼的博士後馬修立瑪共同擔任第一作者，發表在美國《科學》雜誌上。
原理
它由兩部分組成：一部分為碳納米管纖維，另一部分為體積能夠變化的物質如石蠟。將石蠟嵌入碳納米管纖維中，通過直接加熱、電加熱，或者使用一道閃光，石蠟就會發生體積膨脹，從而使整個“肌肉”膨脹。但由於碳納米管纖維特殊的結構，“肌肉”的長度會同時發生收縮，產生力量。
特點
南開大學楊石先講座教授、得州達拉斯大學納米技術研究所主任雷·鮑曼說，它能夠產生大幅度、超快的收縮驅動，舉起相當於相同比重下天然肌肉承重200倍的重物。
碳納米肌肉
針對人造肌肉沒有能力自我修復，科學家也在積極尋找對策。在這方面，美國德州大學納米技術研究院的教授雷·鮑夫曼的研究處於領先地位。雷·鮑夫曼的研究思路是，利用電池或電源線為人造肌肉提供生命能量，其中像柴油等化學燃料儲存的能量最多，相當於電池能量的10到100倍，但是如果能像人類肌肉通過食物供應獲得再生能力一樣，人造肌肉能夠利用自我供電的方式獲得能量，人造肌肉就會邁出偉大的一步。
鮑夫曼教授想到了自己比較熟悉的碳納米管。美國國防部為了獲得在危險情況下代替人類執行任務的機器人，必須想方設法讓這些機器人裝載的電池能夠維持幾天的運轉，並將這一難題交給了鮑夫曼教授來攻關。
1999年，鮑夫曼小組利用幾層碳納米管研製成人造肌肉，由於碳納米管能夠容納大量的電荷，向這些層狀碳納米管中施加一定的電壓後，這些人造肌肉能夠收縮。緊接著，鮑夫曼將層狀碳納米管與燃料電池相連，這些燃料電池能夠將化學能轉化成電能。他將3厘米寬的納米肌肉帶作為電極放在一封閉的硫酸容器中，用泵將空氣中的氧氣抽入硫酸容器中，氧氣與硫酸中的氫離子結合生成水，在這一化學反應的過程中不斷消耗電子，這些電子由層狀碳納米管提供。由於提供電子，碳納米管就會因帶正電荷越來越多而不斷收縮變短；一旦將這些層狀碳納米管與帶負電荷的陰極相連，碳納米管會重新獲得電子，正電荷越來越少，從而伸展到以前的長度。
由於鮑夫曼教授的碳納米管肌肉是依靠化學反應獲得動力的，科學家評價這一成果是人造肌肉研究過程中重要的進步。以前的人造肌肉都是與供應能量的裝置分離的，而碳納米管作成的人造肌肉與供應能量的電池連成一體，這樣又向人類肌肉更接近了一步。
但是碳納米肌肉有一個很大的局限，雖然能夠產生的力量是人類肌肉的100倍，但它的伸縮幅度只有1%%，這個幅度太小，不能用於人造器官等裝置。鑒於此，鮑夫曼教授開始嘗試另一種完全不同的材料。
這個新材料就是鎳鈦諾，它是一種鎳鈦合金，擁有記憶形狀的特殊能力，這種合金能夠很容易地彎曲或伸展，一旦外力消失又會很快恢復到以前的形狀。鮑夫曼教授將這些合金做成電線，這些電線能夠“記住”兩個不同的長度點。
研究小組在鎳鈦諾電線上鍍一層鉑作為催化劑，一旦鎳鈦諾電線暴露在含有乙醇氣體的空氣中，乙醇就會被空氣中的氧氣氧化，氧化過程中產生的熱量會使鎳鈦諾電線受熱繼而縮短；如果切斷空氣中的乙醇供應，鎳鈦諾電線又會伸展到原來的長度。鎳鈦諾人造肌肉最大的優點是伸展幅度可以達到5%%，這個幅度完全可以達到機器人和人造假肢的要求。
然而這個鎳鈦諾人造肌肉也有一個缺點，就是它只能記住長和短兩個不同的點，不能控制收縮和伸展的速度。要把這些肌肉用到機器人身上，研究人員還需要一種循環系統，這一循環系統可以不斷控制鎳鈦諾電線受熱的速率，還可以帶走氧化中的廢氣，並有效地讓鎳鈦諾電線冷卻而伸展。
鮑夫曼研究小組還在研究用酶取代鉑作為催化劑的可能性。酶催化劑可以調控糖含量，從而利用糖取代乙醇或天然氣作為燃料來供應能量，就像利用血糖濃度來調控的人造心臟一樣。這一工作原理，使得人造器官或組織能更接近人類真正的器官或組織。
狀態記憶合金驅動納米肌肉
風險企業日本Eamex（總部：大阪府池田市）正在開發的導電性高分子驅動裝置和美國Nano Muscle開發的狀態記憶合金驅動裝置等使用納米材料的人造肌肉，有可能被套用於未來的機器人中。另外，有的部位還可能使用MEMS（微機電系統）和NEMS（納米機電系統）。
納米管人工肌肉
德克薩斯大學的研究人員創造了一種基於納米管的人工肌肉，堅硬如鋼鐵，輕如鴻毛，柔如橡膠，還能在高溫下工作。它可用製造人工肢體，智慧型皮膚，甚至是《終結者3》中有變形能力的機器人。德州大學納米技術學院主任Baughman稱每單位面積人造肌肉產生的力是自然肌肉的30倍。研究人員創造的碳納米管氣凝膠薄片密度僅為每平方厘米1.5 毫克，與空氣相近。每克“肌肉”能覆蓋30平方米的面積，能拉伸也能壓縮，拉伸比率為220%，它能承受的溫度範圍從25°C到超過1200°C。研究論文(摘要)發表在最新一期的《科學》雜誌上，《連線》提供了多個演示視頻。
