芜湖365家居网:《科学》杂志第12期文章：人造肌肉梦想成真

《科学》杂志是《科学美国人杂志》中文版，图为第12期封面

　　撰文／Steven Ashley

　　一类新颖的致动设备(例如致动器、发动机、发电机等)正在步入商业化。它们基于在受到电刺激时会改变形状的聚合物。

　　那不过是一只价值100美圆的玩具——一个玻璃缸，里面游弋着一群日本大阪的Eam ex公司生产的机器鱼。不同寻常的地方在于，这些靠内在力驱动的塑料鱼，在水中游动的姿势几乎与真的鱼一样，而且其内部不包含任何机械部分：没有马达、没有传动轴、没有齿轮、甚至连一节电池都没有。这些鱼之所以会游泳，是因为它们的塑料内脏在来回弯曲，就像鱼有自己的意志一样。它们是基于一种新一代改进型电活化聚合物(EAPs)的第一批商业化产品，这种塑料聚合物在电刺激下会产生移 动。

　　数十年前，构建致动器或者致动设备的工程师就已经为肌肉找到了一种人造替代物。作为对神经刺激的响应，肌肉只须改变长度就能够准确地控制其施加的力量，例如眨眼睛或举起杠铃。同时，肌肉还表现出比例恒定的属性：对于各种尺寸大小的肌肉，其机理都一样，相同的肌肉组织既可以给昆虫、也能够为大象赋予力量。因此，对于难以制作电动马达的驱动设备，某种类似肌肉的东西也许会有用武之地。

　　EPAs号称要成为未来的人造肌肉。研究人员已经在雄心勃勃地工作，希望能够为许多当代的技术寻找基于EPA的可选方案，而且不害怕将他们的发明物与自然物竞争。几年前，有几个人，包括来自美国加州帕萨迪纳喷气推进实验室(JPL)的高级科学家Yoseph Bar-Cohen，向电活化聚合物研究团体发起了一项挑战，以激发人们对该领域的兴趣：展开一项竞赛，看谁能够最先制造出EAP驱动的机器人手臂，而且必须在与人的手臂的一对一掰手腕比赛中取胜。然后，他们开始寻找赞助商的资助，为优胜者颁发现金作为奖励。

　　目前而言，最有前途的工作也许是美国斯坦福研究院(SRI)正在做的研究，SRI是基于加州门洛帕克市的一家非盈利合同型研究实验室。SRI管理层希望能够在几个月内，将所需资金中的400～600万美元作为最初投资，组建一家让产易股的公司(暂时命名为人造肌肉综合公司)以实现其专利EPA技术的商业化。即使现在，SRI手里仍然有着六项研发合同，甲方包括美国政府以及来自玩具、汽车、电子、机械产品和鞋类行业的公司。SRI正在努力，以期尽快将人造肌肉推向市场。

　　这家新公司的目标是什么？只不过想以使用SRI的新颖致动器的更小、更轻、更便宜的产品，取代无数我们经常使用的电动马达，以及许多其他的致动装置。其实验室商业开发部主任Phillip von Guggenberg指出：“我认为该技术是实现机械致动领域革命的一个很好机会。我们希望能够普及该技术，让它成为你在五金店就能买到的东西。”

　　人造肌肉的材料

　　自从1990年代中期以来，Bar-Cohen一直为经常变化的国际EAP研究人员团体充当非正式的协调人。回到该领域的萌芽时期，“我从科技论文上读到的电活化聚合物材料并不像广告吹嘘的那样神奇，”他一边回忆，一边狡黠地笑着，“而且当我从NASA获得经费来研究该技术时，我不得不去了解谁在做这个领域的工作，以便从中找到某些启发。”仅在数年之内，Bar-Cohen就已掌握了足够的知识，并且协助举办了首届关于该主题的科技研讨会，开始出版一份EAP时事通讯，发布了一个EAP网站，还编写了两部关于这项新兴技术的论著。

　　在喷气推进实验室(JPL)院内的一幢矮层研究建筑内，试验台上摆满了各种致动设备原型以及测试装置，Bar-Cohen开始回顾他已经了如指掌的关于该领域的历史。他说：“很长一段时间内，人们一直在寻找不用电动马达就可以移 动物体的方法，因为马达对于许多应用而言显得太过笨重。在EPAs出现之前，马达的标准替代技术是压电陶瓷，该技术曾一度是研究的热点。”

　　在压电材料中，机械应力可导致晶体电极化，而且反之亦然。用电流刺激这种材料将使其变形；通过改变其形状可以产生电。

　　Bar-Cohen从一张实验长椅上拿起一只浅灰色的小碟子，说：“这块碟子由PZT(锆钛酸铅)制成。”他向我们解释：电流使得压电PZT产生收缩或者膨胀，幅度只有不到其总长度的百分之一。尽管变形量很小，但是却有用处。

　　在隔壁的一间屋子中，Bar-Cohen出示了由PZT碟子驱动的一英尺长的冲击钻，他现在正和JPL的同事以及Cybersonics公司的工程师们一起研制这些PZT碟子。他介绍说：“在这个圆筒内是一叠压电碟子，当被交流电激活时，这叠碟子将以超音速拍打钻头，钻头则以高速率上下跳跃，从而钻入坚硬的岩石。”在另一侧是几堆石块，石块已经被钻出很深的孔眼。

　　该钻子作为一个范例，说明了用压电陶瓷制作致动器的有效性，的确让人印象深刻。但是，在许多应用中，要求电活化材料的膨胀幅度超过百分之零点几。

　　塑料对电的反应

　　Bar-Cohen告诉我们，响应电流而改变形状的聚合物可分为两类：离子型和电子型，其优势和劣势正好互补。

　　离子型EAPs(包括离子聚合物凝胶体、离子性高分子如金属复合材料、导电性高分子以及碳纳米管)是在电化学的基础上工作——即正负离子的移 动和扩散。它们可以直接用电池带动，因为即便一个个位(single-digit)电压也能够使它们大幅度弯曲。不足之处在于，离子型EAPs通常必须是湿的，因此应当密封在挠性薄层中。许多离子型EAPs的另一个主要缺陷在于"只要电流接通，该材料就会一直运动，“Bar-Cohen指出，并且补充说：“如果电压超过一定值，将会产生电解，从而给材料造成无法修复的损坏。”

　　相反，电子型EAPs(例如铁电聚合物、电介体、电绝缘橡胶以及电致伸缩移植橡胶)则由电场驱动。它们需要相对较高的电压，因此会产生让人不舒服的电击。但是，作为回报，电子型EPAs能够迅速作出响应，并且传递较强的机械力。它们不需要保护薄层，而且几乎不需要电流就能够保持某个定位。

　　SPR的人造肌肉材料属于电子型EAP类型。它的成功开发经历了漫长曲折的道路，而且多少带有一些偶然性，可以称得上是奇思怪想式技术创新的一个经典范例。

　　给橡胶充电

　　SRI小组的领导者Ron Pelrine介绍说：“在与日本签署微型机器计划(Japanese micro-machine program)合同之后，斯坦福研究院从1992年开始研究人造肌肉。”他从前是一名物理学家，现在转行做机械工程师。日本官方在寻找一种新型的微致动器技术。几位SRI研究人员开始寻找一种在力学、冲程(线性位移)以及应变(单位长度或单位面积的位移量)等方面的性质与自然肌肉类似的致动材料。

　　“我们考察了一大堆有希望的活化技术，”Pelrine回忆道。然而，他们最终选择了电致伸缩聚合物，当时来自路特葛斯大学(Rutgers University)的Jerry Scheinbeim正在研究这种材料。这种聚合物中的碳氢分子以半晶体点阵的方式排列，而这种晶阵具有类似压电的属性。

　　当处于电场中时，所有的绝缘塑料(例如聚亚安酯)将会沿电力线的方向收缩，同时沿垂直于电力线的方向膨胀。这种现象与电致伸缩不同，被称为麦克斯韦应力。Pelrine 说：“这种现象早就为人们所熟知，但一直被当作是一种很麻烦的效应。”

　　他意识到，比聚亚安酯更软的聚合物在静电吸引作用下将更容易挤压，因而可以提供更大的机械应变。通过对软硅树脂进行试验，SRI的科学家很快证明其应变在10～15%之间，这十分合意。经过进一步研究，这个数字还可以提高到20～30%。为了区别这种新的致动器材料，硅树脂和其他较软的材料被命名为电绝缘橡胶(dielectric elastomers)(也被称为电场活化聚合物。)

　　在确定出几种有前途的聚合物材料之后，在1990年代剩余的大部分时间内，该小组将注意力集中于研制特定设备应用的具体细节。当时，该SRI研究小组新的外部经费支持和研究方向由美国国防部高级研究计划局(DARPA)和海军研究中心(Office of Naval Research)提供，其主管的首要兴趣在于将该技术用于军事目的，包括小型侦察机器人以及轻型发电机。

　　由于橡胶开始表现出大得多的应变，工程师意识到电极也必须是可以膨胀的。普通金属电极无法伸长，除非将其割裂。Pelrine提到：“起先，人们不用为这个问题操心，因为他们研究的材料所提供的应变只有1%左右。”最后，该研究小组开发出一种基于在橡胶阵列(elastomeric matrix)中填充碳粒的屈从电极(compliant electrodes)。他指出：“由于电极和塑料一起膨胀，它们可以在整个活动区域之间保持电场。”SRI 为该概念申请了专利，它是后来人造肌肉技术的关键之一。

　　Pelrine急于向我们展示，他拿出一个15厘米见方看上去像相框的东西，其两面的塑料包夹由于膨胀而紧绷着。“看，这种聚合物材料延展性非常好，”他说，同时用一只手指按入其透明薄膜。“它实际上是一种双面胶带，一大卷的价格很便宜。”在中间夹片的两面是黑色、镍币大小的电极，连着导线。

　　Pelrine拧开电源的控制旋钮。立刻，黑色的圆形电极对开始膨胀，直径增加了四分之一。当他将旋钮拧回到原来位置时，电极马上又收缩至原状态。他咧嘴笑了笑，并且重复操作了好几次，解释说：“根本上，我们的设备就是电容，也就是两块平行的充电平板，中间夹着电绝缘材料。当电源接通时，正负电荷分别在相反的电极上积累。电极平板互相吸引并且挤压中间的绝缘聚合物，并且聚合物的面积扩大。”

　　尽管已经确定出几种有前途的材料，要想在实际设备中实现可接受的性能的确是一个挑战。然而，该小组在1999年取得的一系列突破引起了美国政府及工业界相当的兴趣。有人通过观察发现，在电活化聚合物材料之前预先拉伸它，将大大提高其性能。小组的另一位成员Roy Kornbluh工程师回忆说：“我们开始注意到存在一个甜区(sweet point)，这时可以获得最优性能。没有人确切地知道为什么，但是预拉伸聚合物可以使击穿强度[电极之间电流通路(passage of current)的阻力]增加100倍之多。”电活化应变提高的幅度与之类似。尽管原因还不是很清楚，SRI的化学家裴其冰(音)认为：“预拉伸可沿平面膨胀方向定位分子链，并且材料使得沿该方向更加坚硬。”为了获得预拉伸效果，SRI的致动器设备采用了一个外部支撑结构。

　　第二项关键发现得益于研究人员“测试我们所知道的每一种可伸展材料，我们称之为爱迪生方法，”Pelrine愉快地告诉我们。(为找到合适的电灯灯丝材料，托马斯·爱迪生系统地试验过各种材质。)“在我家里，为了不让我那刚会走路的孩子乱拿东西，我们用一把以聚合物材料做的门锁将冰箱锁住。孩子逐渐长大，我们不再需要锁什么东西，因此将锁拿走。由于它是用可伸展材料制成的，我决定测试一下它的应变属性。令人惊讶的是，它拥有极佳的性能。”追溯锁的来源以及分析其组成不是什么难事，最后，这种神秘的聚合物“原来是聚丙烯酸橡胶，它可以提供极大的应变和能量输出，线性应变达380%之多。这两项进展使得我们能够开始将电绝缘橡胶应用到现实的致动器设备中。”该研究人员介绍说。

　　人造肌肉梦想成真

　　SRI小组的通用研究方法比较灵活，包括许多种设计、甚至包括不同的聚合物。正如裴其冰所说：“这是一台设备，而不是一件材料。”据Pelrine称，该小组能够用不同的聚合物产生活化效应，包括丙烯酸树脂和硅树脂。甚至天然橡胶也能产生一定效应。例如，在外部空间的极端温度环境中，人造肌肉最好采用有机硅塑料，已经证明这种材料可以在零下100摄氏度的真空环境下工作。对于要求更大输出力的应用，可能需要更多的聚合物材料或者将多台设备串联或并联。

　　SRI成员von Guggenberg 估计：“由于可以买到电绝缘橡胶的现货，而且我们在每台设备至多只用到几平方英尺的材料，因此致动器将会非常便宜，尤其是对于批量生产。”

　　激活电绝缘橡胶致动器的电压相对较高，通常为1到5千伏，因此该设备可以在非常低的电流下运转(一般而言，高电压意味着低电流)。致动器还可以使用较细、不太贵的导线，并且可以保持相当冷却。Pelrine说：“在到达电场中止以及电流流经(电极之间的)空隙的临界点时，更高的电压将产生更大的膨胀和应力。”

　　Kornbluh评论说：“高电压是一个问题，但它不一定危险。毕竟，荧光灯和阴极射线管都是高电压设备，但是没有人会担心它们。更大的难题是高电压要用于移 动设备，因为电池通常是低电压的，因而还需要附加的变压线圈。”而且，在美国宾夕法尼亚州州立大学，张启明(音)和他的研究小组已经在尝试通过将某些电致伸缩聚合物与其他物质结合生成合成物，来降低它们的激活电压。

　　当被问及电绝缘橡胶的耐久性时，von Guggenberg承认还需要更多的研究，并且证实了一个“合理迹象”，即他们要继续工作足够长时间以实现商业化用途，“例如，我们为一位客户运行的设备可产生5～10%的应变，循环1000万次。”另一台设备可产生50%的面积应变，循环100万次。

　　尽管人造肌肉设备比相应的电动马达要轻得多(聚合物本身的密度与水差不多)，SRI仍在通过减少必要的外部预应变设备，来努力减轻其质量。例如，裴正在试验化学过程，以消除使用相对较重的框架的必要性。

　　产品的商业化

　　在开发出基本原理之后，SRI研究小组马上继续研究一系列应用概念：

　　线性执行机构(Linear actu-ators)。为了制造出他们所谓的弹簧卷筒(spring roll)，工程师在螺旋状弹簧外缠上数层预应变的层状电绝缘橡胶片。张力簧支持周向预应变，而橡胶膜在纵向的预应变则使弹簧保持压缩[参看48页图示]。通电使得橡胶膜厚度压缩同时沿纵向松弛，设备伸长。因此，弹簧卷筒可在压缩包中产生强力和大冲程。Kornbluh报告说，汽车制造商已经表现出对该装置的兴趣，希望用它来替代汽车中的许多小电动马达，例如在机动化的坐位位置控制中以及在高效无声引擎的阀门控制中。

　　弯曲辊(Bending rolls)。采用相同的基本弹簧卷筒，工程师可以连接电极，以便绕滚筒周向制造两个或多个不同的、独立工作的部分。电活化其中一个部分可以使圆筒的一侧伸长，因而整个滚筒向另一侧弯曲[参看48页图示]。基于该设计的装置可以完成采用传统的马达、齿轮和联动装置无法做到的许多复杂运动。其可能的用途包括可操纵的医用导管和所谓的蛇形机器人等。

　　推挽式致动器(Push-pull actuators)。可以将多组电绝缘橡胶膜片对或弹簧圆筒对按照一种“推挽式”配置排列，这样它们可以相互倚靠着工作，因而以一种更为线性的(一个输入产生一个输出)方式响应。从一台设备到另一台设备穿梭电压可以来回地改变整个设备组的位置；同时激活两台设备可以使设备组固定在一个中间点。这样，致动器可以像控制人手臂运动的肱二头肌和三头肌一样动作。

　　扩音器(Loudspeakers)。在有一个开孔的框架之上拉伸电绝缘薄膜。振动薄膜根据应用的电信号迅速膨胀或收缩，因此可以发出声音。这种配置可以制成一种轻型、廉价的扬声器，其震荡媒介包括驱动器和发声面板。当前的设计在中高频范围内表现出较高的性能。但是，这种扬声器配置还没有被优化为一种低音用扩音器，尽管它也可以低频范围内运行良好[参看49页图示]。

　　泵(Pumps)。电绝缘橡胶膜片泵的设计与低频扩音器的类似，工程师仅增加一个流体室和两只单向止回阀以控制液体的流动。人造肌肉非常适合于给微流体泵(microfluidic pumps)提供动力，例如，用于倍受医学和工业所珍视的芯片上的实验室(lab-on-a-chip)设备中。

　　传感器(Sensors)。出于其本质，所有的SRI电绝缘橡胶设备在弯曲或拉伸时，都会表现出电容的变化。因此，有可能制造出屈从的并且在低压下工作的传感器。Kornbluh称，SRI小组正在与一家汽车制造商洽谈，想采用这种传感器来测量座椅安全带的张力。他说，这种传感器还可以用于测量织物或其他材质的张力，例如光纤、皮带或衣料等。

　　表面特性和智能表面(Surface texturing and smart surfaces)。如果用电极图案在聚合体上留下烙印，可以按要求在表面上雕出各种形状。这种技术可用于活性伪装织物，它可以根据需要改变反射率，或者用作制造“拉条(riblets)”的一种装置，以改善机翼表面的气动阻力特性[参看50页图示]。

　　发电机(Power generators)。由于这种材料可以充当软电容器，因此可以用它制造出可变容量的发电机和能量收割机。DARPA和美国军方投资开发一种“脚后跟”发电机，这是一种轻便式能源，野外的士兵或其他人可用它代替电池，给用电设备提供电源。利用这一尚处于开发阶段的设备[参看本页图]，一位普通个头的人每秒迈出一步，大约可以产生1瓦特的功率。Von Guggen-berg称这一概念已经引起了鞋业公司的兴趣。类似地，这种设备还可安装在背包带或者汽车悬挂装置上。原则上，这种方法还可应用到波发生器(wave generator)和风力设备中。

　　SRI的研究人员最近在测试一个更加激进的概念“聚合物引擎”。丙烷燃料在燃烧室内燃烧，燃烧产物所产生的压力将使得电绝缘橡胶膜片歪曲，从而产生电。这种设计可能最终导致厘米级或更小尺度范围内的高效率微型发电机的出现。

　　但是，真正的适销产品的出现尚需要时日。von Guggenberg指出：“目前而言，我们正在制造一切齐全即可使用的(turnkey)设备，可以把它们交到工程师的手中，以便他们能够研究它们、接受并欣赏该技术。我希望在将来，所有的工程师在设计新产品的时候，都能够考虑这种技术。”

　　Bar-Cohen称，SRI在致动器技术上取得的进展给他留下了深刻印象。但是成功也带来一方面的问题：掰手腕比赛。他打趣地说：“我原本希望再过20年左右时间，有人能开发出一支足以与人类手臂相抗衡的机械胳膊。现在SRI称他们准备造一支，而我们现在还没有提高奖金呢！”

　　[柯江华/译 李子/校]