人造肌肉：仿生設(shè)備的動(dòng)力源

文·圖/李偉

傳感器和發(fā)電機(jī)的組合

據(jù)俄羅斯衛(wèi)星通訊社報(bào)道，俄羅斯國(guó)立謝東諾夫第一醫(yī)科大學(xué)，新近開發(fā)出一種可用于制造機(jī)器人的人造肌肉。

謝東諾夫第一醫(yī)科大學(xué)擁有俄羅斯唯一的可控仿生系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室。該實(shí)驗(yàn)室在俄羅斯“科學(xué)和大學(xué)”優(yōu)先發(fā)展項(xiàng)目“2030聯(lián)邦計(jì)劃”框架下設(shè)立，它研發(fā)的“新型聚合物促動(dòng)器”，即人們通常所說的人造肌肉。

實(shí)驗(yàn)室主任阿列克謝·馬克西姆金表示，新型人造肌肉所做出的動(dòng)作，能夠最大限度地接近真實(shí)肌肉所做出的動(dòng)作。他介紹說：“人造肌肉的應(yīng)用范圍非常大。例如，它可在仿生假肢和軟體機(jī)器人中發(fā)揮作用，類似于微電機(jī)，能夠提供動(dòng)力。如今大熱的類人機(jī)器人研發(fā)項(xiàng)目，離不開人造肌肉。它可以說是機(jī)器人以及一切先進(jìn)仿生設(shè)備的動(dòng)力源?！?/p>

馬克西姆金指出，人造肌肉是一種柔軟的合成纖維，其功能相當(dāng)于傳感器和發(fā)電機(jī)的組合。除了能夠用于制造仿生假肢和類人機(jī)器人，其應(yīng)用非常廣泛，可用于制造按摩器、服裝和鞋子。當(dāng)人們使用或者穿著這些物品時(shí)，人造肌肉能夠發(fā)電，并給個(gè)人電子設(shè)備充電。

謝東諾夫第一醫(yī)科大學(xué)關(guān)于人造肌肉的研究成果，得益于莫斯科電子技術(shù)學(xué)院開發(fā)的一項(xiàng)新技術(shù)：利用基于牛血漿蛋白和氧化石墨烯的水凝膠3D打印人造肌肉。該方法能制出柔軟、可拉伸且非常結(jié)實(shí)的人造肌肉，它在電流的作用下能夠改變形狀。在納米機(jī)電設(shè)備的輔助下，這種人造肌肉可用于修復(fù)人體肌肉，以及制造類人機(jī)器人的身體組成部分。

據(jù)俄羅斯衛(wèi)星通訊社報(bào)道，俄科研機(jī)構(gòu)開發(fā)的人造肌肉非常結(jié)實(shí)，其強(qiáng)度是純蛋白質(zhì)聚合物的1.5倍。由于含有氧化石墨烯，它可以導(dǎo)電。牛血漿蛋白可使人造肌肉柔韌且具有生物相容性。人體裝備含有人造肌肉的假肢，不會(huì)發(fā)生排異反應(yīng)，人體細(xì)胞和組織不會(huì)受到損害。

人造肌肉的性能是可調(diào)節(jié)的，例如其強(qiáng)度以及蛋白質(zhì)的密度，可以通過改變初始反應(yīng)液的酸性和鹽度來調(diào)節(jié)。此外，其成分也可以進(jìn)行調(diào)整，從而改變其導(dǎo)電性能。

俄羅斯納米技術(shù)科研中心首席研究員、工科博士伊萬·博布里涅茨基表示，對(duì)于新開發(fā)的先進(jìn)仿生設(shè)備來說，人造肌肉是不可或缺的。

微型化應(yīng)用

俄羅斯的上述研究在全球范圍內(nèi)并不是唯一的。澳大利亞科研機(jī)構(gòu)也在這方面有所建樹，其研發(fā)重點(diǎn)在于人造肌肉的微型化應(yīng)用。

澳大利亞伍倫貢大學(xué)（UOW）科學(xué)家在脫氧核糖核酸（DNA）超螺旋結(jié)構(gòu)的啟發(fā)下，開發(fā)出一種新型人造肌肉，可用來制造先進(jìn)的假肢和可穿戴設(shè)備，以幫助受傷或身體殘疾的人恢復(fù)行動(dòng)能力。其另一個(gè)特點(diǎn)是可實(shí)現(xiàn)微型化應(yīng)用，助力無創(chuàng)手術(shù)工具、工業(yè)微型機(jī)械手以及微型機(jī)器人研發(fā)項(xiàng)目。

微型機(jī)器人的主要技術(shù)難點(diǎn)在于如何在小型設(shè)備上產(chǎn)生相對(duì)強(qiáng)大的動(dòng)力——人造肌肉可以解決這一問題。UOW創(chuàng)新材料研究所的杰弗里·斯賓克斯教授表示：“使用模擬骨骼驅(qū)動(dòng)微型機(jī)器人的設(shè)計(jì)方案很有吸引力，但它結(jié)構(gòu)太復(fù)雜，難以縮小尺寸。因此，我們期待人造肌肉為機(jī)器人提供良好的機(jī)械驅(qū)動(dòng)。人造肌肉可做出大幅度動(dòng)作且易于復(fù)原，運(yùn)作高效，可持續(xù)運(yùn)行數(shù)百萬個(gè)周期，非常適合用于驅(qū)動(dòng)機(jī)器設(shè)備。”

新型人造肌肉的運(yùn)作原理是模仿DNA分子收縮到細(xì)胞核中的方式。DNA是最堅(jiān)硬、最長(zhǎng)的天然聚合物之一，當(dāng)要進(jìn)入微米級(jí)別的細(xì)胞核時(shí)，其體積迅速收縮至千分之一，通過超螺旋過程減小體積——這種運(yùn)動(dòng)方式具有借鑒意義。

科學(xué)家通過膨脹扭曲的纖維模擬類似DNA的纏繞模式。當(dāng)纖維末端旋轉(zhuǎn)受阻時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)超螺旋，令人造肌肉產(chǎn)生機(jī)械能。研究小組對(duì)纖維進(jìn)行優(yōu)化，縮小其尺寸，縮短其運(yùn)動(dòng)時(shí)間，從而最大限度地提高速率和增大能量輸出。

UOW大學(xué)的研究人員成功地將這種新型人造肌肉用于微型剪刀和微型鑷子。悉尼大學(xué)的西納·納菲奇博士指出：“纖維復(fù)合材料做超螺旋運(yùn)動(dòng)，提供了一種簡(jiǎn)單的方式來存儲(chǔ)和釋放機(jī)械能。自然界中有許多這樣的螺旋復(fù)合物——從DNA分子到植物的卷須，說明這項(xiàng)技術(shù)有著令人興奮的發(fā)展前景。”

模擬DNA超螺旋結(jié)構(gòu)的人造肌肉具有很高的彈性，接近真正的肌肉纖維。它不僅在醫(yī)學(xué)上具有重大意義，而且對(duì)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展來說也至關(guān)重要。隨著特殊聚合材料和智能材料的不斷研發(fā)，人造肌肉的伸縮、彎曲、扭動(dòng)等將更為靈活，從而在醫(yī)學(xué)、機(jī)器人科學(xué)等領(lǐng)域發(fā)揮更大作用。它可用于植入式藥物釋放系統(tǒng)，例如促進(jìn)微血管再生的植入物，或?qū)⑺幬锼偷交疾∑鞴僦械募{米機(jī)器人。

利用溫度變化

日本生物科學(xué)研究所也在開發(fā)人造肌肉，他們巧妙地找到了動(dòng)力來源——人造肌肉只要稍稍加熱就能伸縮，進(jìn)而拉動(dòng)相當(dāng)于其自重650倍的物體。這種人造肌肉十分纖細(xì)，能夠非常方便地應(yīng)用在醫(yī)療、工業(yè)生產(chǎn)等各個(gè)領(lǐng)域。

日本研究人員選擇了兩種熱膨脹系數(shù)不同的聚合物材料：高密度聚乙烯和環(huán)烯烴共聚物彈性體。將這兩種材料結(jié)合在一起，形成雙層長(zhǎng)條狀——像極了雙層餅干。之后對(duì)材料進(jìn)行拉伸處理，讓它變成彎彎曲曲的形狀，就像植物卷須——人造肌肉成形了。其外觀就像卷曲的電話線，讓人有把它拉開再?gòu)椈厝サ臎_動(dòng)。不過，拉伸它不會(huì)像拉電話線那樣容易，需要外部作用——溫度變化。

加熱十幾攝氏度就會(huì)看到明顯的變化：在4秒鐘內(nèi)把人造肌肉的溫度從22攝氏度加熱到36攝氏度，原本兩厘米長(zhǎng)的“電話線”就會(huì)迅速縮短到1厘米左右。這種隨溫度變化出現(xiàn)的體積變化是可逆的，在適宜的條件下，可以循環(huán)往復(fù)1萬次，體現(xiàn)出人造肌肉的經(jīng)久耐用。憑借這種特性，人造肌肉能拉起相當(dāng)于其自重650倍的物體，比如砝碼。

這種人造肌肉的生產(chǎn)過程并不復(fù)雜，而且能夠制成各種尺寸，從微米、毫米到厘米級(jí)，其長(zhǎng)度甚至可以達(dá)到數(shù)百米。在尺寸可調(diào)的情況下，人造肌肉能拉動(dòng)精細(xì)的小部件，也能驅(qū)動(dòng)大型設(shè)備。

另外，日本研究人員還測(cè)試了溫度、拉伸長(zhǎng)度等因素之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)在“加熱拉起重物”這個(gè)過程中，溫度、長(zhǎng)度、重量變化都是有規(guī)律的。因此，在不同的應(yīng)用場(chǎng)景下，如果需要反復(fù)拉動(dòng)某物體，可以精確計(jì)算出所需要的人造肌肉的長(zhǎng)度和溫度變化。

加熱可能有點(diǎn)麻煩，研究人員準(zhǔn)備將光纖和電擊等技術(shù)集成到人造肌肉項(xiàng)目中，實(shí)現(xiàn)“內(nèi)部加熱”。

日本研究人員表示，未來這種人造肌肉可以應(yīng)用在機(jī)械臂、殘疾人的假肢等方面。另外，它也可應(yīng)用在微型醫(yī)學(xué)設(shè)備中，比如進(jìn)入人體動(dòng)脈做手術(shù)的微型醫(yī)療機(jī)器人等。