Science：国际团队利用钓鱼线研制出强大人工肌肉

在2014年2月21日的《科学》（Science）杂志上发表的一项最新研究中，包括中国吉林大学在内的一个国际团队，利用普通的钓鱼线和缝纫线，研制出强大的新型人工肌肉。与相同长度和重量的人类肌肉相比，这种新型人工肌肉能举起一百倍以上的重量，产生一百倍以上的机械力

　　

生物通报道：由德克萨斯大学（UT）达拉斯分校带领的一个国际团队，将普通的钓鱼线和缝纫线廉价地转化为强大的人工肌肉。与相同长度和重量的人类肌肉相比，这种新型人工肌肉能举起一百倍以上的重量，产生一百倍以上的机械力。

    这一研究结果发表在2014年2月21日的《科学》（Science）杂志上，研究人员解释说，这种强大的人工肌肉，通过高密度聚合物钓鱼线和缝纫线进行扭曲和卷绕制成。这一研究进展，是由德克萨斯大学达拉斯分校、澳大利亚伍伦贡大学、韩国汉阳大学、加拿大不列颠哥伦比亚大学、土耳其Namik Kemal大学和中国吉林大学（徐秀茹）的科学家们合作完成。

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    这种肌肉由温度的变化进行驱动，这可以由电产生，通过光的吸收或燃料的化学反应。捻卷聚合物纤维，能够将其转化为一种旋转的肌肉，它可使一个重型转子以每分钟超过10,000转的速度旋转。随后继续捻卷，以便于聚合物纤维线圈如同一个严重扭曲的橡皮筋，从而形成人工肌肉，这种肌肉受热时沿其长度显著收缩，而冷却时恢复到其初始长度。相反，如果卷线是在相反的方向捻卷，在受热时肌肉反而会膨胀。

    天然肌肉只能够收缩大约20%，而这些种新型肌肉可收缩大约50%。而且其收缩性是可逆的，因为它在收缩和膨胀上百万次之后收缩性仍无变化。

    本文的通讯作者、德州大学达拉斯分校NanoTech Institute主任Ray Baughman博士称：“这些聚合物肌肉的应用范围是非常广泛的。当今最先进的人形机器人、假肢和可穿戴的外骨骼，都受限于马达和液压系统的大小和重量。”

    Baughman称，人造肌肉可应用于需要超人力量的地方，例如机器人和外骨骼。将一束聚乙烯钓鱼线旋扭在一起，其总直径仅为人的头发的十倍，其产生的盘绕状聚合物肌肉，却能够举起16磅的重物。类似于天然肌肉的结构，将一百根这种聚合物肌肉平行排列在一起，能举起大约0.8吨的重物。

    在另一个极端，由比人头发还要细的聚合物纤维制成的肌肉，可使老年人人形机器人的表情栩栩如生，还可以使侵入式微创显微手术机器人更加灵活。同时，它们也能为微型“芯片”提供动力。

    利用市售缝纫线上的金属镀层或与肌肉缠绕在一起的金属线，聚合物肌肉能够通过电阻式加热由电驱动。然而，本文的第一作者Carter Haines指出，对于其他应用，这种肌肉也可以通过环境的温度变化进行自我驱动。
Haines指出：“我们利用这种聚合物肌肉编织了织布，随温度变化其孔隙能够可逆地打开和关闭。我们也许有可能在未来研制出舒适调节的服装。”

    研究小组还指出，可以利用这种肌肉制作温室或建筑的窗户，随周围温度变化，这些窗户自动打开或关闭，从而省去了电力或嘈杂而昂贵的发动机。（生物通：王英）

生物通推荐原文摘要：
Artificial Muscles from Fishing Line and Sewing Thread
Abstract: The high cost of powerful, large-stroke, high-stress artificial muscles has combined with performance limitations such as low cycle life, hysteresis, and low efficiency to restrict applications. We demonstrated that inexpensive high-strength polymer fibers used for fishing line and sewing thread can be easily transformed by twist insertion to provide fast, scalable, nonhysteretic, long-life tensile and torsional muscles. Extreme twisting produces coiled muscles that can contract by 49%, lift loads over 100 times heavier than can human muscle of the same length and weight, and generate 5.3 kilowatts of mechanical work per kilogram of muscle weight, similar to that produced by a jet engine. Woven textiles that change porosity in response to temperature and actuating window shutters that could help conserve energy were also demonstrated. Large-stroke tensile actuation was theoretically and experimentally shown to result from torsional actuation.