坚韧！碳纤维人工肌肉可举升其质量12600倍的重物学术资讯

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▲碳纤维增强的人造肌肉的放大图，其直径约0.4mm。

身体强壮如楚霸王，也不能自举其身。伊利诺伊大学研究人员的新成果，却超额完成了这一壮举。据《智能材料与结构》日前报道，机械科学与工程助理教授Sameh Tawfick，贝克曼博士后Caterina Lamuta和Simon Messelot设计并制造了一种超强的人造肌肉，该装置由碳纤维增强的硅氧烷橡胶制成，并具有螺旋的几何形态。它不仅能举升自身质量12600倍的重物，承受60 MPa的机械应力，还能提供超过25%的拉伸应力和758J/kg的比功。这一数据几乎是天然肌肉的18倍。当通入电力驱动时，碳纤维人工肌肉在无需高输入电压的情况下，即可表现出优异的性能——直径0.4mm的人工肌肉，在0.172V/cm应用电压的作用下，将半加仑水举升了1.4英寸。Lamuta说：“这种低成本的轻质人工肌肉的应用范围非常广泛，例如机器人科学、假肢和人工辅助设备等。我们提出的数学模型对于根据实际用途调整人工肌肉性能效果显著。此外，该模型还可加深研究人员对驱动机制中起重要作用的参数的理解。这对于在未来开发新型纤维强化的螺旋人造肌肉有借鉴意义。”

人造肌肉主要成分包括商业化碳纤维和聚二甲基硅氧烷（PDMS）。首先，研究人员将碳纤维浸入己烷稀释的PDMS中，然后利用钻头进行牵引拉丝。在PDMS固化后，纤维丝将变成螺旋状。Tawfick说：“螺旋状人工肌肉源于尼龙线。只要能继续提高人工肌肉的强度，它将在人类辅助设备中有更广阔的应用空间。了解螺旋人工肌肉的工作原理对于其制造至关重要。我们只是简单的用硅橡胶填充碳纤维，就获得了令人惊讶的性能。硅橡胶在外加电压、热或溶剂的溶胀效应的作用下，会分离碳纤维，其释放的内部压力会使纤维束的直径扩张，而螺旋的几何形态则使纤维束的长度收缩。”

人工肌肉的折曲幅度可以更大吗？基本吻合的数学预测和实验结果的回答为“可以”。Tawfick团队发现，人造肌肉的拉伸程度受限于客体材料（硅烷的热降解性）。这就解释了为何溶胀引发的致动张力高于热诱导。这为制造高性能的人造肌肉阐明了方向。

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编译：雷鑫宇审稿：alone 编辑：张梦

来源：https://scitechdaily.com/carbon-fiber-artificial-muscles-lift-12600-times-their-weight/