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普通渔线变成人工肌肉力量强过人类肌肉百倍

来源:admin  点击数:  时间:2019-03-11 17:41

  渔线,肌肉,二者完全不搭边,却被吉林大学国际团队科研人员巧妙结合,将渔线变身为强大的新型人工肌肉,主要成分就是市面上常见的聚乙烯和尼龙渔线,捻制后,控制温度改变,这根人工肌肉就可以提起超过7公斤的重物进行收缩运动。

  2月21日,这项研究成果在《科学》杂志上发表。昨天,在吉林大学迈克德尔米德实验室里,参与新型人工肌肉课题研究的吉林大学高分子化学与物理专业博士徐秀茹,向记者讲述了这种新型人工肌肉之中的高科技—一根渔线的逆袭。

  提到肌肉,大家可能最先想到自己的肱二头肌。“其实,人工肌肉是一种具有肌肉功能的材料,与人体肌肉是两回事。”徐秀茹说,新型的人工肌肉并不是仿生模拟活体的生物过程,但它的力量远远超过人体肌肉。

  德州大学达拉斯分校的李娜博士说,这种“人工肌肉”的关键是产生出一种类弹簧的螺旋结构。肌肉最重要的功能是通过收缩运动产生力量,金属渔线而这种螺旋结构的“人工肌肉”可以产生非常好的收缩效果。

  吉林大学唐敖庆讲座教授、美国威尔士化学教授、德州大学达拉斯分校麦克德尔米德纳米科技实验室主任瑞·鲍克曼教授表示,相比于相同尺寸和重量的人体肌肉,这种新型人工肌肉能举起的重量和承受的力是100倍左右,每千克这种人工肌肉可产生7.1马力的功率。

  徐秀茹比喻,这就好比7.1匹马同时动作,每秒钟所产生的能力,瑞·鲍克曼教授比喻说,“相当于一个喷气发动机的功率。”

  另外,人体肌肉的收缩率为20%,而新型人工肌肉最多可达49%。徐秀茹解释,也就是说,假如人的10厘米肌肉,收缩后是8厘米,同样尺寸的新型人工肌肉收缩后是5厘米。而收缩率高,就意味着可以做更多的功。瑞·鲍克曼教授说,一根新型人工肌肉可举起16磅的重物,如果把100根人工肌肉平行集为一束,可以提起约0.8吨的重物,并且进行收缩。

  但是,在施加了比较大的重物下,新型人工肌肉的收缩性能仍然十分稳定,徐秀茹的导师、吉林大学麦克德尔米德实验室的王策教授介绍,他们在实验过程中发现,新型人工肌肉在收缩伸长200万次之后,其收缩率仍然没有发生改变。

  这种新型人工肌肉看起来很强大,其实它的原理并不复杂—是通过将高强度的聚合物渔线或缝纫线加捻和卷曲制成的。由温度的变化来进行驱动,使它进行收缩运动,从而实现肌肉的功能。这种肌肉可沿其长度方向在加热时收缩,在冷却时可逆地恢复到原有长度。相反,如果反方向卷取,这种肌肉在加热时反而会伸长。

  可是,怎么让新型人工肌肉发生温度变化?徐秀茹说,可以由电的驱动、光的吸收或燃料的化学反应来实现,我在美国参与项目研究时,研究小组华人科学家房少立博士(吉林大学唐敖庆客座教授)和李娜博士还展示了用这种肌肉制成的、根据不同环境温度可以自动打开和关闭的百叶窗,当温度升高时,百叶窗会自动打开,露出缝隙通风,温度低时,则会自动闭合上。

  这项研究成果,听起来挺简单,可是,它的问世是基于科研人员们10余年的反复试炼。

  王策教授说,聚合物材质人工肌肉已是第三代,此前,还相继研究了记忆金属和碳纳米管两种人工肌肉,但它们都无法实现像人体肌肉那样灵敏的扭转,受力强度也比较低,更主要的是,材料的价格十分高昂,“比如碳纳米管价格堪比黄金。所以,这很难走出实验室,应用到实际生活当中。”

  吉林大学麦克德尔米德实验室和德州大学达拉斯分校麦克德尔米德纳米技术中心,以及来自澳大利亚韩国加拿大土耳其的研究单位,一直在联合进行人工肌肉的研究,用渔线作为人工肌肉的材料,是参与项目研究的两位土耳其的教授和李娜博士,他们偶然发现尼龙渔线在加热时的收缩状态后,经过研究,将渔线选定为新型人工肌肉的主要材料。

  鲍克曼教授认为,新型聚合物肌肉的应用空间无比巨大,“可用于需要超人力量的地方,如机器人及可穿戴的外骨骼。”

  新型人工肌肉也可使老年人的机器人伴侣的面部表情栩栩如生,也可使微创显微手术机器人更加灵活,还可以驱动微型芯片。主要研究者卡特·海恩斯博士说,研究组已尝试用这种肌肉制成了随温度变化、孔隙可以可逆地打开和关闭的织布,“这使未来制造舒适的温度自动调节服成为可能。”研究者还设想,由新型人工肌肉材料制成的衣物,可以承载相当大的重量,堪比超人的护甲。

  “这种新型肌肉还有望用于航天航空、军事、工农业、医学、科技等多种行业及领域,例如,军事上用于自动攻击及打击装置、民事和工业上用于自动温控阀门、医学上用于新型人工心脏等,为人类各种活动的深入研究创造新的可能性。”王策教授说。 本报记者 赵实

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