单极碳纳米管人造肌肉：强过真肌肉学术资讯

带有涂层的螺旋状单极纳米管肌肉扫描图像。

在长达15年的时间里，美国德克萨斯大学达拉斯分校（UTD）的研究人员领导的跨国团队，一直试图通过扭曲、缠绕碳纳米管或聚合物纱线，来制造人造肌肉。然而，热驱动型人造肌肉还存在很多局限性。

电化学驱动的碳纳米管人造肌肉或许是一种潜在的替代方案，它能满足机器人、心脏泵等一系列应用的需求。“电化学驱动的人造肌肉颇具应用前景，因为它们的能量转换效率不会受到热力学限制，能够承受强烈的收缩冲击，还能以低能耗量负载重负荷。”UTD纳米技术研究所研究人员Ray Baughman博士说，“相比之下，人类肌肉和热驱动肌肉，都需要输入大量能量，才能维持重负荷。”

在《科学》杂志当地时间1月28日发布的论文中，研究人员阐述了一种强大的单极电化学人造肌肉，它能够在驱动速度加快时更大程度地收缩，有望突破人造肌肉的局限性。

打造电化学人工肌肉的挑战在于：一方面，肌肉驱动是双极的，这意味着人造肌肉的扩张/收缩运动，会在电位扫描过程中改变方向。另一方面，特定电解质只能在特定电压范围内维持稳定。超出范围后，电解质会分解。Baughman博士补充道，“此外，肌肉的电容，会随着电位扫描速率的增加而降低，导致肌肉冲程随驱动速率的增加而显著减少。”

为了解决这些问题，研究人员在螺旋碳纳米管纱线的内表面涂覆了一种特殊的离子导电聚合物。Baughman博士说：“聚合物涂层将碳纳米管纱线的双极驱动转变为单极驱动。这使电化学碳纳米管人造肌肉变得更快、更有力。”论文作者、化学博士生Zhong Wang解释了潜在的科学性，他说：“聚合物的偶极场改变了零电荷势。因此，只有一种信号的离子会用于补偿电子电荷。在整个可用电位扫描范围内，人造肌肉的冲程只在一个方向上发生变化。”UTD副教授Jiuke Mu博士表示，聚合物涂层还有助于解决人造肌肉的电容问题。“对于部分单极肌肉，每个离子带入人造肌肉的溶剂分子数量，随着电位扫描速率的增加而增加，这提高了起驱动作用的有效离子尺寸。”Mu说，“因此，随着电位扫描速率的增加，肌肉冲程可增加3.8倍，而如果电位扫描速率变化相同，没有聚合物涂层的碳纳米管纱线肌肉冲程会缩小420%。”

引入聚合物涂层后，电化学单极肌肉的最大平均输出机械功率为2.9瓦特/克。聚合物涂层的主要成分为廉价、安全的聚（4-苯乙烯磺酸钠），它能够让碳纳米管满足-30摄氏度至高温的宽域操作需求。

Wang表示，用专利双卷法将氧化石墨烯纳米片引入人造肌肉后，可以不用增加扫描速率，得到单极行为。“氧化石墨烯纳米片提供的偶极场单极行为，将人造肌肉的最大平均输出功率提高到惊人的8.2瓦特/克，这大约是人类肌肉能力的29倍，是V8发动机的6.2倍。”Wang说，“我们还发现，用两种不同类型的单极纱线肌肉可以组合成双电极全固态纱线肌肉，从而消除对液体电解质的依赖性。这种组合人造肌肉可以用于制造变形织物。”

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编译：雷鑫宇

审稿：西莫

责编：陈之涵

期刊来源：《科学》

期刊编号：0036-8075

原文链接：

https://phys.org/news/2021-01-powerful-unipolar-carbon-nanotube-muscles.html