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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/

#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。

/

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

老是忘了貼上來.......

2018八月太陽星座運勢

白羊座(3,21.-4,19.)
工作：
為了力求表現而太過用力，卻反而使你自曝其短，而且要注意不能被他人稱讚了而覺得自己就成氣候了，小心會被他人利用，拿你當炮灰。

感情：
小心說話的態度，好好在一起就好好說話，不需要說矮化對方的話，只為逞一時口舌之快，做個槓精不是英雄美女，細心觀察對方的需要才是好的。

健康：
最近的老毛病一直來來去去，而且也會造成一些足以影響未來長期毛病的病根，在生活作息上不可不慎，尤其是筋骨方面的狀況，有些關節炎的先兆。

金牛座(4,20.-5,20.)
工作：
工作上的事再有能力也別急著打包票，很多突發的狀況就是可能會造成影響你完成工作的阻力，難免會使你力不從心而身心俱疲，另外也要小心在辦公室壞情緒的大爆發。

感情：
情感的表現上要大方大器點哦，而且上、中旬挺有好桃花的，不過你若是沒有表情或是反應過慢，就可能錯失良機，當然穿著打扮也要時尚些。

健康：
肝臟的照顧要多些，除了避開酒精過量的攝取外，也要早點睡覺，而且飲食過量對肝臟的危害也挺大的，尤其這個月很容易感到疲倦。

雙子座(5,21.-6,21.)
工作：
話別亂說，尤其不是你親耳聽到的就真不能亂話，因為到最後追究起來，矛頭會指向你，成為眾矢之的，要忍住啊，低調的看在眼裡就好了。

感情：
抿好你的嘴，心情再不好也不能說酸話讓對方承受，這會像是最後一根稻草一般，壓壞了你們的關係，下旬的狀況好轉，而且桃花也會增加，當然更要人面桃花。

健康：
雖然你不見得會因為身體的癥兆而動不動就唉唉叫，但是你就是可以感受到身體的不良狀況比平時多太多了，而且時好時壞，內分泌也好像有些失衡。

巨蟹座(6,22.-7,22.)
工作：
工作的成績也許會被搶走，但是真正的成就在你心中，別在意那些，有能力比有成績來得更重要，搶走的成就只是一時不是一世，要創造的是一世的千秋。

感情：
製造兩人所擁有的幸福感比較重要，因此要用心去經營如何都開心及感受到幸福，像是找好吃的餐廳，或是倆人窩著看電影、追劇，別去想誰付出得多或少。

健康：
泌尿系統的狀況多，小心尿道炎的感染外，也別撇尿太久，同時最近身體的尿酸容易累積，相關的食物要克制一點，別不忌口的隨意亂吃過了量。

獅子座(7,23.-8,22.)
工作：
主觀意識雖然沒少過，不過這個月明顯會自己害自己，事事都要搶出頭或是過於驕傲，在今年的這個月就是容易被害，學著謙虛低調點吧，就算別人拱你上去都可能是陷阱。

感情：
進展相當緩慢，雖然你的攻勢很主動也直接，但是卻容易碰釘子。而平時的情感表現都太過主觀，這往往使得對方無法感受到你的認同及對方存在的價值。

健康：
睡眠品質不良，而且睡前的飲食也會造成身體負擔，因此別太晚睡覺，免得身體正要好好休息時，又要上工了。腸道的敏感比平時高出許多，飲食要留神。

處女座(8,23.-9,22.)
工作：
小心無妄之災，其實真的跟你無關，卻可能被污陷，其實最好的明哲保身之法，就是別去與他人攪和與你工作無關的事，什麼話什麼意見都不該說。

感情：
多用心去照顧與對方的感情，這個月最好不要覺得自己沒惡意地可以批評對方，多體諒對方，並感受對方的用心，浪漫有時就是體貼及不要太在意。

健康：
脊椎的不適感明顯增加，當然與你平時生活起居的不良姿態有關，而也因為累積太久了，而會在此時變得更嚴重，做點身體肌肉與脊椎的釋放運動會舒緩些。

天秤座(9,23.-10,23.)
工作：
就怕豬隊友壞事而已，但是如果有好同事，倒是可以有不錯的表現，因此工作運的好壞全看隊友如何了。有新想法就要立即去試試，那怕是只開始一點點都要去做。

感情：
容易出現誘惑，要不就是自己心猿意馬、不甘寂莫，不過倒不是出現爛桃花，你的心情上比較會是欣賞，沒有那麼快就行動，這樣也好，心情上來點小暗戀。

健康：
上腹部的不適總是默默出現，正打算要注意時，卻又好了，不過這來來去去正是目前的狀況，但是這還是需要小心些，除了從飲食調整外，也別太晚吃飲食。

天蠍座(10,24.-11,22.)
工作：
自己的工作自己扛，當然也別被他人影響，此時是思考未來職涯的關鍵期，要以自己想要的方式來堅定未來的方向，當然不是擺爛哦，那就太可惜了。

感情：
上中旬的情感發展是正向的，而且可以轉換一下與平時不同的方式進行，不論是約會場地或是換個心情。多進行人際關係的活動聚餐也是挺好的。

健康：
留心後背肌肉容易疲累或拉傷，肩部的不良反應也跟上背的不適感有關，如果可能舒緩一下肌肉的壓力，同時也順便留意一下自己平時的體態上是否過度緊繃。

射手座(11,23.-12,21.)
工作：
主動要協助的人不一定能幫到什麼，因此別期待他人的協助，反倒是最近的工作只要自己別亂事，是能有好表現的，重點一直都是不要畫蛇添足。

感情：
對方的心情變化大，你得要多關心對方，對方期待你的上心，不過我提醒都心虛了，人馬們太容易只想到自己所要及所以為的，因此看來這個月的感情要質變了。

健康：
肩頸的痠痛感持續，而且不僅容易扭傷，也容易有睡落枕的情況，同時本月發胖機率大增，也會因此有運動過勞的情況，而且感覺精力好，卻反而會度使用體力。

磨羯座(12,22.-1,19.)
工作：
計畫趕不上變化，因此不如在不知如何是好時先靜觀其變，這個月人心浮動，沉得住氣的人都有福了，不過一意孤行卻會犯下更大的錯，還是要有彈性才好。

感情：
做些情感表現的變化，像是改變約會的場地，同時計畫到外地去走走，小旅行很能增進目前彼此的親密度，讓自己在對方眼中是有趣也是個自我努力的目標。

健康：
五官的狀況比較多，不論是眼睛容易感到疲累或是因為揉眼受到感染，或是牙痛、鼻塞或感染，甚至耳朵，就連臉部都有破相的風險，皮膚及髮質的狀況也不太好。

寶瓶座(1,20.-2,18.)
工作：
被動的狀況太多使你特別心煩，很多事情在進行上到處被掣肘，而且就連小事都被煩，不過責任若不在你，也不用太認真，但是非要完成的工作，就得要耐著性子完成了。

感情：
內在的空寂感是強烈的，在此時就很容易會有突然的情感衝動，不過到了月底卻可能會後悔了，除非真的是自己所想要的，否則一時的感動最好還是深呼吸緩一緩。

健康：
身體就是會有些不順的感覺，倒也不是什麼嚴重的大狀況，雖然就是那兒都不太對勁，這主要是身體內的各腺體分泌微調出了狀況，除了生活正常些外，也要多喝好水。

雙魚座(2,19.-3,20.)
工作：
容易出小錯，也許不至於會壞了大事，回頭檢查就能更完美些，工作上的自我要求要再提升，而且想到的事就要立即去做，一旦現在誤了，後頭就會誤很大了。

感情：
期待都不太會發生，當然此時的情感狀況是你去配合對方，而不是能照著你的期待發展，如果想多了卻沒發生也要認命，千萬別鬧彆扭擺臉色使自己下不了台。

健康：
血液循環不太好，也因此氧氣很不容易送到身體各處，而隨時都昏昏的，油脂的累積更在此時造成了身體的負擔，生活上就很容易感到缺氧及容易疲累。