科技日報記者 李麗云

如何讓智能材料性能更優(yōu)異、結(jié)構(gòu)更簡單、生物相容性更好，國內(nèi)外科研人員一直在開展著科研攻關(guān)。

1月31日，科技日報記者從哈爾濱工業(yè)大學獲悉，長期從事智能材料結(jié)構(gòu)力學及應用研究的哈爾濱工業(yè)大學冷勁松教授團隊聯(lián)合國內(nèi)外科研伙伴，在智能材料之一人工肌肉領(lǐng)域取得新的重大突破，解決了人工肌肉驅(qū)動性能的電容依賴性問題，為后續(xù)設計具有無毒、低驅(qū)動電壓、高功率密度的高性能驅(qū)動器提供了新的理論基礎(chǔ)。如果將這一成果應用到未來仿生飛行器的驅(qū)動上，將讓飛行器更輕盈，可以飛得更高、更遠、更久；如果應用到生物領(lǐng)域，其無毒特性將讓醫(yī)療機器人具有更好的生物相容性；如果應用到柔性機器人領(lǐng)域，其低驅(qū)動電壓、高能量密度等特點可滿足機器人在更廣泛、更復雜的環(huán)境下使用。1月29日，相關(guān)研究成果以“單極沖程、電滲泵碳納米管紗線肌肉”（Unipolar-Stroke, Electroosmotic-Pump Carbon Nanotube Yarn Muscles）為題，在線發(fā)表于著名學術(shù)期刊《科學》（Science）上。

哈爾濱工業(yè)大學與美國德克薩斯大學達拉斯分校、江蘇大學、韓國漢陽大學、澳大利亞臥龍崗大學等單位合作，首次發(fā)現(xiàn)通過聚電解質(zhì)功能化的策略，可實現(xiàn)人工肌肉智能材料的“雙極”（Bipolar）驅(qū)動轉(zhuǎn)變?yōu)椤皢螛O”（Unipolar）驅(qū)動，同時發(fā)現(xiàn)了人工肌肉隨電容降低，驅(qū)動性能增強的反?，F(xiàn)象（Scan Rate Enhanced Stroke, SRES），這一重要發(fā)現(xiàn)和突破為人工肌肉后續(xù)應用展示了更廣闊的前景。

哈爾濱工業(yè)大學為該論文的共同通訊作者和共同第一作者單位，其中冷勁松教授為共同通訊作者（江蘇大學丁建寧、哈爾濱工業(yè)大學冷勁松、美國德克薩斯大學達拉斯分校Ray H. Baughman），其博士畢業(yè)生楚合濤為共同第一作者（楚合濤、胡興好、王鍾、穆九科）。

據(jù)楚合濤介紹，目前，新材料正由輕質(zhì)、多功能化向智能化方向發(fā)展。智能材料（Smart Materials）是指一類可以在外界激勵下做出主動響應的新材料，具有自驅(qū)動、自監(jiān)測、自修復等多種功能，在人工智能、智能制造、生物醫(yī)療、機器人等領(lǐng)域具有廣泛的應用前景。該團隊研究的聚合物纖維與碳納米管紗線人工肌肉是一種典型的智能材料，主要通過熱、電化學兩種方式實現(xiàn)驅(qū)動。

?? 人工肌肉類型以及“單極”、“雙極”驅(qū)動特征對比

但熱驅(qū)動受到卡諾循環(huán)效率的限制，影響了其應用潛力。相比而言，電化學驅(qū)動能量轉(zhuǎn)換效率更高，具有更廣闊的應用前景。而傳統(tǒng)的電化學碳納米管紗線人工肌肉存在以下幾方面的局限性：驅(qū)動性能完全依賴于工作電極的電容特性；只能產(chǎn)生單向驅(qū)動；需在極低的驅(qū)動速率下工作。針對以上問題，本研究通過聚電解質(zhì)功能化的策略，改變?nèi)斯ぜ∪獾牧泓c電位：實現(xiàn)了單一離子參與的驅(qū)動過程，取代了傳統(tǒng)人工肌肉反向離子的共同驅(qū)動作用。

這使得人工肌肉不僅可以收縮而且能夠伸長，與傳統(tǒng)人工肌肉只能收縮的特點大不相同。這一驅(qū)動特點可提高人工肌肉的做功效率與能量密度，同時克服了驅(qū)動性能的電容依賴性問題。相比于傳統(tǒng)人工肌肉，該人工肌肉具有無毒、驅(qū)動頻率高、驅(qū)動電壓低、高比能量，高驅(qū)動應變以及高能量密度等特性，在空間可展開結(jié)構(gòu)、仿生撲翼飛行器、可變形飛行器、水下機器人、柔性機器人、可穿戴外骨骼、醫(yī)療機器人、柔性電子等領(lǐng)域具有巨大的應用潛力。

　在杜善義院士、韓杰才院士的帶領(lǐng)下，哈爾濱工業(yè)大學復合材料與結(jié)構(gòu)研究所于20世紀90年代初在國內(nèi)較早地確立了智能材料與結(jié)構(gòu)的研究方向。在“崇德廣業(yè)，窮理致用”發(fā)展理念的指導下，哈工大冷勁松教授課題組長期從事智能材料結(jié)構(gòu)力學及應用研究，主要研究方向包括形狀記憶聚合物及其復合材料結(jié)構(gòu)、人工肌肉、多功能納米復合材料結(jié)構(gòu)、空間可展開結(jié)構(gòu)、可變形飛行器、柔性機器人、4D打印技術(shù)及生物醫(yī)療器件、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測、振動主動控制等。（文中圖片受訪者供圖）