有什么材料象橡皮筋一樣的彈性，電擊后會收縮。

【專家解說】：受到電刺激時會收縮（其實是變形）的物質實際就是人造肌肉，美國、中國、日本等一些國家都有這方面的成果，但屬于核心機密。介紹你看一篇有關的文章吧： 　　那不過是一只價值100美圓的玩具——一個玻璃缸，里面游弋著一群日本大阪的Eam ex公司生產(chǎn)的機器魚。不同尋常的地方在于，這些靠內在力驅動的塑料魚，在水中游動的姿勢幾乎與真的魚一樣，而且其內部不包含任何機械部分：沒有馬達、沒有傳動軸、沒有齒輪、甚至連一節(jié)電池都沒有。這些魚之所以會游泳，是因為它們的塑料內臟在來回彎曲，就像魚有自己的意志一樣。它們是基于一種新一代改進型電活化聚合物(EAPs)的第一批商業(yè)化產(chǎn)品，這種塑料聚合物在電刺激下會產(chǎn)生移 動。 　　數(shù)十年前，構建致動器或者致動設備的工程師就已經(jīng)為肌肉找到了一種人造替代物。作為對神經(jīng)刺激的響應，肌肉只須改變長度就能夠準確地控制其施加的力量，例如眨眼睛或舉起杠鈴。同時，肌肉還表現(xiàn)出比例恒定的屬性：對于各種尺寸大小的肌肉，其機理都一樣，相同的肌肉組織既可以給昆蟲、也能夠為大象賦予力量。因此，對于難以制作電動馬達的驅動設備，某種類似肌肉的東西也許會有用武之地。 　　EPAs號稱要成為未來的人造肌肉。研究人員已經(jīng)在雄心勃勃地工作，希望能夠為許多當代的技術尋找基于EPA的可選方案，而且不害怕將他們的發(fā)明物與自然物競爭。幾年前，有幾個人，包括來自美國加州帕薩迪納噴氣推進實驗室(JPL)的高級科學家Yoseph Bar-Cohen，向電活化聚合物研究團體發(fā)起了一項挑戰(zhàn)，以激發(fā)人們對該領域的興趣：展開一項競賽，看誰能夠最先制造出EAP驅動的機器人手臂，而且必須在與人的手臂的一對一掰手腕比賽中取勝。然后，他們開始尋找贊助商的資助，為優(yōu)勝者頒發(fā)現(xiàn)金作為獎勵。 　　目前而言，最有前途的工作也許是美國斯坦福研究院(SRI)正在做的研究，SRI是基于加州門洛帕克市的一家非盈利合同型研究實驗室。SRI管理層希望能夠在幾個月內，將所需資金中的400～600萬美元作為最初投資，組建一家讓產(chǎn)易股的公司(暫時命名為人造肌肉綜合公司)以實現(xiàn)其專利EPA技術的商業(yè)化。即使現(xiàn)在，SRI手里仍然有著六項研發(fā)合同，甲方包括美國政府以及來自玩具、汽車、電子、機械產(chǎn)品和鞋類行業(yè)的公司。SRI正在努力，以期盡快將人造肌肉推向市場。 　　這家新公司的目標是什么？只不過想以使用SRI的新穎致動器的更小、更輕、更便宜的產(chǎn)品，取代無數(shù)我們經(jīng)常使用的電動馬達，以及許多其他的致動裝置。其實驗室商業(yè)開發(fā)部主任Phillip von Guggenberg指出：“我認為該技術是實現(xiàn)機械致動領域革命的一個很好機會。我們希望能夠普及該技術，讓它成為你在五金店就能買到的東西?！? 　　人造肌肉的材料 　　自從1990年代中期以來，Bar-Cohen一直為經(jīng)常變化的國際EAP研究人員團體充當非正式的協(xié)調人?；氐皆擃I域的萌芽時期，“我從科技論文上讀到的電活化聚合物材料并不像廣告吹噓的那樣神奇，”他一邊回憶，一邊狡黠地笑著，“而且當我從NASA獲得經(jīng)費來研究該技術時，我不得不去了解誰在做這個領域的工作，以便從中找到某些啟發(fā)。”僅在數(shù)年之內，Bar-Cohen就已掌握了足夠的知識，并且協(xié)助舉辦了首屆關于該主題的科技研討會，開始出版一份EAP時事通訊，發(fā)布了一個EAP網(wǎng)站，還編寫了兩部關于這項新興技術的論著。 　　在噴氣推進實驗室(JPL)院內的一幢矮層研究建筑內，試驗臺上擺滿了各種致動設備原型以及測試裝置，Bar-Cohen開始回顧他已經(jīng)了如指掌的關于該領域的歷史。他說：“很長一段時間內，人們一直在尋找不用電動馬達就可以移 動物體的方法，因為馬達對于許多應用而言顯得太過笨重。在EPAs出現(xiàn)之前，馬達的標準替代技術是壓電陶瓷，該技術曾一度是研究的熱點?！? 　　在壓電材料中，機械應力可導致晶體電極化，而且反之亦然。用電流刺激這種材料將使其變形；通過改變其形狀可以產(chǎn)生電。 　　Bar-Cohen從一張實驗長椅上拿起一只淺灰色的小碟子，說：“這塊碟子由PZT(鋯鈦酸鉛)制成?！彼蛭覀兘忉專弘娏魇沟脡弘奝ZT產(chǎn)生收縮或者膨脹，幅度只有不到其總長度的百分之一。盡管變形量很小，但是卻有用處。 　　在隔壁的一間屋子中，Bar-Cohen出示了由PZT碟子驅動的一英尺長的沖擊鉆，他現(xiàn)在正和JPL的同事以及Cybersonics公司的工程師們一起研制這些PZT碟子。他介紹說：“在這個圓筒內是一疊壓電碟子，當被交流電激活時，這疊碟子將以超音速拍打鉆頭，鉆頭則以高速率上下跳躍，從而鉆入堅硬的巖石?！痹诹硪粋仁菐锥咽瘔K，石塊已經(jīng)被鉆出很深的孔眼。 　　該鉆子作為一個范例，說明了用壓電陶瓷制作致動器的有效性，的確讓人印象深刻。但是，在許多應用中，要求電活化材料的膨脹幅度超過百分之零點幾。 　　塑料對電的反應 　　Bar-Cohen告訴我們，響應電流而改變形狀的聚合物可分為兩類：離子型和電子型，其優(yōu)勢和劣勢正好互補。 　　離子型EAPs(包括離子聚合物凝膠體、離子性高分子如金屬復合材料、導電性高分子以及碳納米管)是在電化學的基礎上工作——即正負離子的移 動和擴散。它們可以直接用電池帶動，因為即便一個個位(single-digit)電壓也能夠使它們大幅度彎曲。不足之處在于，離子型EAPs通常必須是濕的，因此應當密封在撓性薄層中。許多離子型EAPs的另一個主要缺陷在于"只要電流接通，該材料就會一直運動，“Bar-Cohen指出，并且補充說：“如果電壓超過一定值，將會產(chǎn)生電解，從而給材料造成無法修復的損壞?！? 　　相反，電子型EAPs(例如鐵電聚合物、電介體、電絕緣橡膠以及電致伸縮移植橡膠)則由電場驅動。它們需要相對較高的電壓，因此會產(chǎn)生讓人不舒服的電擊。但是，作為回報，電子型EPAs能夠迅速作出響應，并且傳遞較強的機械力。它們不需要保護薄層，而且?guī)缀醪恍枰娏骶湍軌虮３帜硞€定位。 　　SPR的人造肌肉材料屬于電子型EAP類型。它的成功開發(fā)經(jīng)歷了漫長曲折的道路，而且多少帶有一些偶然性，可以稱得上是奇思怪想式技術創(chuàng)新的一個經(jīng)典范例。 　　給橡膠充電 　　SRI小組的領導者Ron Pelrine介紹說：“在與日本簽署微型機器計劃(Japanese micro-machine program)合同之后，斯坦福研究院從1992年開始研究人造肌肉?！彼麖那笆且幻锢韺W家，現(xiàn)在轉行做機械工程師。日本官方在尋找一種新型的微致動器技術。幾位SRI研究人員開始尋找一種在力學、沖程(線性位移)以及應變(單位長度或單位面積的位移量)等方面的性質與自然肌肉類似的致動材料。 　　“我們考察了一大堆有希望的活化技術，”Pelrine回憶道。然而，他們最終選擇了電致伸縮聚合物，當時來自路特葛斯大學(Rutgers University)的Jerry Scheinbeim正在研究這種材料。這種聚合物中的碳氫分子以半晶體點陣的方式排列，而這種晶陣具有類似壓電的屬性。 　　當處于電場中時，所有的絕緣塑料(例如聚亞安酯)將會沿電力線的方向收縮，同時沿垂直于電力線的方向膨脹。這種現(xiàn)象與電致伸縮不同，被稱為麥克斯韋應力。Pelrine 說：“這種現(xiàn)象早就為人們所熟知，但一直被當作是一種很麻煩的效應?！? 　　他意識到，比聚亞安酯更軟的聚合物在靜電吸引作用下將更容易擠壓，因而可以提供更大的機械應變。通過對軟硅樹脂進行試驗，SRI的科學家很快證明其應變在10～15%之間，這十分合意。經(jīng)過進一步研究，這個數(shù)字還可以提高到20～30%。為了區(qū)別這種新的致動器材料，硅樹脂和其他較軟的材料被命名為電絕緣橡膠(dielectric elastomers)(也被稱為電場活化聚合物。) 　　在確定出幾種有前途的聚合物材料之后，在1990年代剩余的大部分時間內，該小組將注意力集中于研制特定設備應用的具體細節(jié)。當時，該SRI研究小組新的外部經(jīng)費支持和研究方向由美國國防部高級研究計劃局(DARPA)和海軍研究中心(Office of Naval Research)提供，其主管的首要興趣在于將該技術用于軍事目的，包括小型偵察機器人以及輕型發(fā)電機。 　　由于橡膠開始表現(xiàn)出大得多的應變，工程師意識到電極也必須是可以膨脹的。普通金屬電極無法伸長，除非將其割裂。Pelrine提到：“起先，人們不用為這個問題操心，因為他們研究的材料所提供的應變只有1%左右?！弊詈螅撗芯啃〗M開發(fā)出一種基于在橡膠陣列(elastomeric matrix)中填充碳粒的屈從電極(compliant electrodes)。他指出：“由于電極和塑料一起膨脹，它們可以在整個活動區(qū)域之間保持電場?！盨RI 為該概念申請了專利，它是后來人造肌肉技術的關鍵之一。 　　Pelrine急于向我們展示，他拿出一個15厘米見方看上去像相框的東西，其兩面的塑料包夾由于膨脹而緊繃著?！翱?，這種聚合物材料延展性非常好，”他說，同時用一只手指按入其透明薄膜?！八鼘嶋H上是一種雙面膠帶，一大卷的價格很便宜。”在中間夾片的兩面是黑色、鎳幣大小的電極，連著導線。 　　Pelrine擰開電源的控制旋鈕。立刻，黑色的圓形電極對開始膨脹，直徑增加了四分之一。當他將旋鈕擰回到原來位置時，電極馬上又收縮至原狀態(tài)。他咧嘴笑了笑，并且重復操作了好幾次，解釋說：“根本上，我們的設備就是電容，也就是兩塊平行的充電平板，中間夾著電絕緣材料。當電源接通時，正負電荷分別在相反的電極上積累。電極平板互相吸引并且擠壓中間的絕緣聚合物，并且聚合物的面積擴大?！? 　　盡管已經(jīng)確定出幾種有前途的材料，要想在實際設備中實現(xiàn)可接受的性能的確是一個挑戰(zhàn)。然而，該小組在1999年取得的一系列突破引起了美國政府及工業(yè)界相當?shù)呐d趣。有人通過觀察發(fā)現(xiàn)，在電活化聚合物材料之前預先拉伸它，將大大提高其性能。小組的另一位成員Roy Kornbluh工程師回憶說：“我們開始注意到存在一個甜區(qū)(sweet point)，這時可以獲得最優(yōu)性能。沒有人確切地知道為什么，但是預拉伸聚合物可以使擊穿強度[電極之間電流通路(passage of current)的阻力]增加100倍之多?！彪娀罨瘧兲岣叩姆扰c之類似。盡管原因還不是很清楚，SRI的化學家裴其冰(音)認為：“預拉伸可沿平面膨脹方向定位分子鏈，并且材料使得沿該方向更加堅硬?！睘榱双@得預拉伸效果，SRI的致動器設備采用了一個外部支撐結構。 　　第二項關鍵發(fā)現(xiàn)得益于研究人員“測試我們所知道的每一種可伸展材料，我們稱之為愛迪生方法，”Pelrine愉快地告訴我們。(為找到合適的電燈燈絲材料，托馬斯·愛迪生系統(tǒng)地試驗過各種材質。)“在我家里，為了不讓我那剛會走路的孩子亂拿東西，我們用一把以聚合物材料做的門鎖將冰箱鎖住。孩子逐漸長大，我們不再需要鎖什么東西，因此將鎖拿走。由于它是用可伸展材料制成的，我決定測試一下它的應變屬性。令人驚訝的是，它擁有極佳的性能。”追溯鎖的來源以及分析其組成不是什么難事，最后，這種神秘的聚合物“原來是聚丙烯酸橡膠，它可以提供極大的應變和能量輸出，線性應變達380%之多。這兩項進展使得我們能夠開始將電絕緣橡膠應用到現(xiàn)實的致動器設備中。”該研究人員介紹說。 　　人造肌肉夢想成真 　　SRI小組的通用研究方法比較靈活，包括許多種設計、甚至包括不同的聚合物。正如裴其冰所說：“這是一臺設備，而不是一件材料?！睋?jù)Pelrine稱，該小組能夠用不同的聚合物產(chǎn)生活化效應，包括丙烯酸樹脂和硅樹脂。甚至天然橡膠也能產(chǎn)生一定效應。例如，在外部空間的極端溫度環(huán)境中，人造肌肉最好采用有機硅塑料，已經(jīng)證明這種材料可以在零下100攝氏度的真空環(huán)境下工作。對于要求更大輸出力的應用，可能需要更多的聚合物材料或者將多臺設備串聯(lián)或并聯(lián)。 　　SRI成員von Guggenberg 估計：“由于可以買到電絕緣橡膠的現(xiàn)貨，而且我們在每臺設備至多只用到幾平方英尺的材料，因此致動器將會非常便宜，尤其是對于批量生產(chǎn)?！? 　　激活電絕緣橡膠致動器的電壓相對較高，通常為1到5千伏，因此該設備可以在非常低的電流下運轉(一般而言，高電壓意味著低電流)。致動器還可以使用較細、不太貴的導線，并且可以保持相當冷卻。Pelrine說：“在到達電場中止以及電流流經(jīng)(電極之間的)空隙的臨界點時，更高的電壓將產(chǎn)生更大的膨脹和應力?！? 　　Kornbluh評論說：“高電壓是一個問題，但它不一定危險。畢竟，熒光燈和陰極射線管都是高電壓設備，但是沒有人會擔心它們。更大的難題是高電壓要用于移 動設備，因為電池通常是低電壓的，因而還需要附加的變壓線圈?！倍?，在美國賓夕法尼亞州州立大學，張啟明(音)和他的研究小組已經(jīng)在嘗試通過將某些電致伸縮聚合物與其他物質結合生成合成物，來降低它們的激活電壓。 　　當被問及電絕緣橡膠的耐久性時，von Guggenberg承認還需要更多的研究，并且證實了一個“合理跡象”，即他們要繼續(xù)工作足夠長時間以實現(xiàn)商業(yè)化用途，“例如，我們?yōu)橐晃豢蛻暨\行的設備可產(chǎn)生5～10%的應變，循環(huán)1000萬次?！绷硪慌_設備可產(chǎn)生50%的面積應變，循環(huán)100萬次。 　　盡管人造肌肉設備比相應的電動馬達要輕得多(聚合物本身的密度與水差不多)，SRI仍在通過減少必要的外部預應變設備，來努力減輕其質量。例如，裴正在試驗化學過程，以消除使用相對較重的框架的必要性。 　　產(chǎn)品的商業(yè)化 　　在開發(fā)出基本原理之后，SRI研究小組馬上繼續(xù)研究一系列應用概念： 　　線性執(zhí)行機構(Linear actu-ators)。為了制造出他們所謂的彈簧卷筒(spring roll)，工程師在螺旋狀彈簧外纏上數(shù)層預應變的層狀電絕緣橡膠片。張力簧支持周向預應變，而橡膠膜在縱向的預應變則使彈簧保持壓縮[參看48頁圖示]。通電使得橡膠膜厚度壓縮同時沿縱向松弛，設備伸長。因此，彈簧卷筒可在壓縮包中產(chǎn)生強力和大沖程。Kornbluh報告說，汽車制造商已經(jīng)表現(xiàn)出對該裝置的興趣，希望用它來替代汽車中的許多小電動馬達，例如在機動化的坐位位置控制中以及在高效無聲引擎的閥門控制中。 　　彎曲輥(Bending rolls)。采用相同的基本彈簧卷筒，工程師可以連接電極，以便繞滾筒周向制造兩個或多個不同的、獨立工作的部分。電活化其中一個部分可以使圓筒的一側伸長，因而整個滾筒向另一側彎曲[參看48頁圖示]。基于該設計的裝置可以完成采用傳統(tǒng)的馬達、齒輪和聯(lián)動裝置無法做到的許多復雜運動。其可能的用途包括可操縱的醫(yī)用導管和所謂的蛇形機器人等。 　　推挽式致動器(Push-pull actuators)?？梢詫⒍嘟M電絕緣橡膠膜片對或彈簧圓筒對按照一種“推挽式”配置排列，這樣它們可以相互倚靠著工作，因而以一種更為線性的(一個輸入產(chǎn)生一個輸出)方式響應。從一臺設備到另一臺設備穿梭電壓可以來回地改變整個設備組的位置；同時激活兩臺設備可以使設備組固定在一個中間點。這樣，致動器可以像控制人手臂運動的肱二頭肌和三頭肌一樣動作。 　　擴音器(Loudspeakers)。在有一個開孔的框架之上拉伸電絕緣薄膜。振動薄膜根據(jù)應用的電信號迅速膨脹或收縮，因此可以發(fā)出聲音。這種配置可以制成一種輕型、廉價的揚聲器，其震蕩媒介包括驅動器和發(fā)聲面板。當前的設計在中高頻范圍內表現(xiàn)出較高的性能。但是，這種揚聲器配置還沒有被優(yōu)化為一種低音用擴音器，盡管它也可以低頻范圍內運行良好[參看49頁圖示]。 　　泵(Pumps)。電絕緣橡膠膜片泵的設計與低頻擴音器的類似，工程師僅增加一個流體室和兩只單向止回閥以控制液體的流動。人造肌肉非常適合于給微流體泵(microfluidic pumps)提供動力，例如，用于倍受醫(yī)學和工業(yè)所珍視的芯片上的實驗室(lab-on-a-chip)設備中。 　　傳感器(Sensors)。出于其本質，所有的SRI電絕緣橡膠設備在彎曲或拉伸時，都會表現(xiàn)出電容的變化。因此，有可能制造出屈從的并且在低壓下工作的傳感器。Kornbluh稱，SRI小組正在與一家汽車制造商洽談，想采用這種傳感器來測量座椅安全帶的張力。他說，這種傳感器還可以用于測量織物或其他材質的張力，例如光纖、皮帶或衣料等。 　　表面特性和智能表面(Surface texturing and smart surfaces)。如果用電極圖案在聚合體上留下烙印，可以按要求在表面上雕出各種形狀。這種技術可用于活性偽裝織物，它可以根據(jù)需要改變反射率，或者用作制造“拉條(riblets)”的一種裝置，以改善機翼表面的氣動阻力特性[參看50頁圖示]。 　　發(fā)電機(Power generators)。由于這種材料可以充當軟電容器，因此可以用它制造出可變容量的發(fā)電機和能量收割機。DARPA和美國軍方投資開發(fā)一種“腳后跟”發(fā)電機，這是一種輕便式能源，野外的士兵或其他人可用它代替電池，給用電設備提供電源。利用這一尚處于開發(fā)階段的設備[參看本頁圖]，一位普通個頭的人每秒邁出一步，大約可以產(chǎn)生1瓦特的功率。Von Guggen-berg稱這一概念已經(jīng)引起了鞋業(yè)公司的興趣。類似地，這種設備還可安裝在背包帶或者汽車懸掛裝置上。原則上，這種方法還可應用到波發(fā)生器(wave generator)和風力設備中。 　　SRI的研究人員最近在測試一個更加激進的概念“聚合物引擎”。丙烷燃料在燃燒室內燃燒，燃燒產(chǎn)物所產(chǎn)生的壓力將使得電絕緣橡膠膜片歪曲，從而產(chǎn)生電。這種設計可能最終導致厘米級或更小尺度范圍內的高效率微型發(fā)電機的出現(xiàn)。 　　但是，真正的適銷產(chǎn)品的出現(xiàn)尚需要時日。von Guggenberg指出：“目前而言，我們正在制造一切齊全即可使用的(turnkey)設備，可以把它們交到工程師的手中，以便他們能夠研究它們、接受并欣賞該技術。我希望在將來，所有的工程師在設計新產(chǎn)品的時候，都能夠考慮這種技術?！? 　　Bar-Cohen稱，SRI在致動器技術上取得的進展給他留下了深刻印象。但是成功也帶來一方面的問題：掰手腕比賽。他打趣地說：“我原本希望再過20年左右時間，有人能開發(fā)出一支足以與人類手臂相抗衡的機械胳膊?，F(xiàn)在SRI稱他們準備造一支，而我們現(xiàn)在還沒有提高獎金呢！”