研究人員創造出強大的單極碳奈米管人造肌肉

15多年來，得克薩斯大學達拉斯分校的研究人員及其在美國，澳大利亞，韓國和中國的合作者透過加捻和卷繞碳奈米管或聚合物紗線製造了人造肌肉。當進行熱動力驅動時，這些肌肉在加熱時會收縮其長度，而在冷卻時會恢復其初始長度。然而，這種熱驅動的人造肌肉具有侷限性。

電化學驅動的碳奈米管（CNT）肌肉提供了一種替代方法，可滿足對從機器人技術和心臟泵到變形服裝的快速，強大，大行程人造肌肉的不斷增長的需求。

"電化學帶來的肌肉特別是有前途的，因為其能量轉換效率不受熱肌肉的熱力學熱機所設的限制，並同時支援重物而不消耗顯著能量他們可以保持較大的收縮比"雷鮑曼博士，在羅伯特·A·韋爾奇（Robert A. Welch）傑出的化學教授，達拉斯拉斯大學的艾倫·麥克迪米德奈米技術研究所所長。"相比之下，即使不完成機械工作，人的肌肉和熱動力肌肉也需要大量的輸入能量來支撐重負載。"

該掃描電子顯微鏡影象顯示了由碳奈米管制成並塗有聚（4-苯乙烯磺酸鈉）的捲曲單極肌肉。外部線圈直徑約為140微米，約為人發直徑的兩倍。

在1月28日線上發表在《科學》（Science）雜誌上的一項研究中，研究人員描述瞭如何製造強大的單極電化學紗線肌肉，這種肌肉在快速行駛時會收縮得更多，從而解決了限制這些肌肉應用的重要問題。

透過在肌肉和反電極之間施加電壓來驅動電化學驅動的CNT紗線肌肉，該電壓將離子從周圍的電解質驅動到肌肉中。

"這種聚合物塗層將碳奈米管紗線的正常雙極驅動方式轉換為單極驅動方式，在這種方式下，肌肉在電解質的整個穩定性範圍內沿一個方向驅動。這種長期尋求的行為會產生令人驚訝的後果，使電化學碳奈米管肌肉更快，更強大。"羅伯特·鮑曼博士（Ray Baughman），羅伯特·A·韋爾奇（Robert A.Welch）傑出的化學教授，達拉斯分校的艾倫·麥克迪米德奈米技術研究所所長。

但是電化學CNT肌肉存在侷限性。首先，肌肉的驅動是雙極的，這意味著在電位掃描過程中，肌肉的運動-擴張或收縮-都會改變方向。筆劃切換方向時的電位為零電荷的電位，電位隨時間變化的速率為電位掃描速率。

另一個問題：給定的電解質僅在特定電壓範圍內才穩定。超出此範圍，電解質會分解。

該研究的通訊作者鮑曼說："以前的紗線肌肉無法利用電解質的全部穩定性。" "此外，肌肉的電容-它儲存驅動所需電荷的能力-隨著潛在掃描速率的增加而降低，從而導致肌肉的衝程隨著驅動速率的增加而急劇下降。"

聚合物塗層

為了解決這些問題，研究人員發現，盤繞的碳奈米管紗線的內表面可以塗有合適的離子導電聚合物，該聚合物包含帶正電或帶負電的化學基團。

鮑曼說："這種聚合物塗層將碳奈米管紗線的正常雙極驅動轉換為單極驅動，在該方向上，肌肉在電解質的整個穩定性範圍內沿一個方向驅動。" "這種長期尋求的行為會產生令人驚訝的後果，使電化學碳奈米管肌肉更快，更強大。"

該研究的共同第一作者化學博士生王忠解釋了基礎科學："聚合物的偶極場將零電荷的電勢移到了電解質的外部，而零電荷是奈米管上的電子改變符號的位置。穩定範圍。因此，只有一個符號的離子被電化學注入以補償該電荷，並且在整個可用電位掃描範圍內，肌肉的衝程沿一個方向變化。"

艾倫·麥克迪米德（Alan G. MacDiarmid）奈米技術研究院成立於2001年，位於達拉斯大學，致力於奈米級的原始科學技術發現。

UT達拉斯奈米技術研究所副研究員兼共同第一作者Mu Jiuke博士說，聚合物塗層有助於解決電化學紗線肌肉的電容問題。

Mu說："每個離子泵入肌肉的溶劑分子的數量隨著某些單極肌肉的潛在掃描速率的增加而增加，這增加了驅動致動的有效離子尺寸。" "因此，隨著潛在掃描速率的增加，肌肉搏動可以增加3.8倍，而對於相同的潛在掃描速率變化，沒有聚合物塗層的碳奈米管紗線肌肉的衝程減少了4.2倍。"

這些進步提供了電化學單極肌肉，可以收縮以產生每瓦重2.9瓦特/克的最大平均輸出機械功率，這大約是人體肌肉典型能力的10倍，是渦輪增壓V的重量歸一化功率能力的2.2倍。 -8柴油機。

用於產生這些結果的聚合物塗層是聚（4-苯乙烯磺酸鈉），已被批准用於藥物用途並且足夠便宜以用於水軟化。摻入該聚合物客體使得碳奈米管肌肉能夠在高溫至負30攝氏度以下的條件下進行實際操作。

強大的配方

Wang說，該團隊還發現，透過使用UT達拉斯研究人員建立並獲得專利的雙卷工藝將氧化石墨烯奈米片摻入到紗線肌肉中，可以獲得單極行為，而不會提高掃描速度。

"利用此客體提供單極行為所需的偶極場，使肌肉的最大平均收縮機械動力輸出提高到了顯著的8.2瓦/克，這是相同重量的人類肌肉的最大能力的29倍，約為6.2倍。渦輪增壓的V-8柴油發動機。"王說。

"我們還發現，可以將兩種不同型別的單極紗線肌肉結合在一起，每一個都具有提高掃描速度的衝程，從而製成雙電極全固態紗線肌肉，從而消除了對液體電解質浴的需要，王說。"固態電解質用於將包含不同聚合物客體的兩條捲曲碳奈米管紗線橫向互連，其中一根帶有負電荷的取代基，另一根帶有正電荷的取代基。由於分別注入正離子和負離子，兩種紗線在充電過程中都會收縮，從而為促動做出貢獻。這些雙電極單極肌被編織成可以用於使衣服變形的致動性紡織品。"

發明人已經就該技術申請了臨時美國專利。

除了鮑曼（Baughman），王（Wang）和穆（Mu），目前與達拉斯分校相關的研究作者包括奈米技術研究院的副研究員教授Shaoli Fang博士和研究科學家Oh Jiyoung博士。趙景載博士，材料科學與工程學教授；化學副教授史蒂文·尼爾森（Steven Nielsen）博士；材料科學與工程專業的博士生Patrick Conlin，化學專業的Kevin Kevino。

除鮑曼外，

通訊作者還有江蘇大學智慧柔性機電一體化研究所的丁建寧博士，

哈爾濱工業大學複合材料與結構中心的金勁松博士。

其他作者單位包括伊利諾伊大學厄本那-香檳分校，常州大學，漢陽大學，漢城國立大學，迪肯大學，臥龍崗大學，奧普斯12號大學和MilliporeSigma。

美國的這項研究得到了空軍科學研究所，韋爾奇基金會和國防高階研究計劃局的短程獨立微機器人平臺（SHRIMP）的支援。