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丁建甯團隊在《科學》(Science)雜志發表論文

發布時間:2021-01-29|浏覽次數:

1月29日,我校智能柔性机械电子研究院丁建宁教授团队与美国德克萨斯州立大学达拉斯分校雷伊·鲍曼院士课题组等国际团队合作,在新一期国际顶级学术期刊《科学》(Science)杂志上刊文“Unipolar stroke, electroosmotic pump carbon nanotube yarn muscles”,提出了一种新型高性能电化学驱动人工肌肉,探索出了人工肌肉全新的驱动机理,大大推动了纤维人工肌肉的应用。

論文共同第一作者爲江蘇大學胡興好博士,共同通訊作者爲江蘇大學丁建甯教授,丁建甯教授常州大學團隊共同參與。研究工作得到了國家自然科學基金委共融機器人基礎理論與關鍵技術研究重大研究計劃培育項目的資助。

人工肌肉是依照動物骨骼肌功能,設計出的具有高輸出應變、高輸出能量、高輸出功率以及大負載能力的柔性驅動器。因其體積小、運動自由度高、環境適應性好,在機器人、柔性機械電子、生物醫療、精准微創手術等領域都有著廣闊的應用前景。

早在2015年,丁建宁团队与雷伊·鲍曼课题组等国际团队合作,成功将普通的橡胶复合碳纳米管材料制成超弹性导电体,相关成果发表于《科学》(Science)杂志( Science 24 July 2015; Vol.349 No.6246 pp.400-404 ),2016年被美国Discover杂志评为世界100项重大发现之一,世界著名材料学家图莎尔?戈什在同期《Science》发专文评述:其在仿生柔体机器人、可穿戴电子设备、柔性太阳能电池等新能源器件以及传感器等方面有巨大应用前景。此后,鲍曼课题组和合作团队研制了碳纳米管纤维电化学驱动人工肌肉,但该肌肉只能实现单向驱动。

在前期研究基礎上,丁建甯團隊與雷伊·鮑曼課題組等國際團隊合作深入研究,使用離子交換聚合物改變碳納米管纖維的零電荷電位,突破了單向驅動瓶頸,實現了雙向驅動。通過調整電壓,人工肌肉不僅能收縮,還能延長,做到了“伸縮自如”,而且驅動應變能力提高了4倍。胡興好解釋說,人工肌肉對外界的輸出功率和轉化效率都能得到大幅度提升,就相當于人工肌肉可以輕松舉起自身體重10萬倍的重物。

然而,這種應變效應究竟來自哪裏?通過近三年的研究,課題組發現了一種完全不同的驅動機理,這種人工肌肉能夠將更多的自由水分子吸附到纖維中,使得驅動性能進一步提升。

響應慢、驅動小、單向驅動等,一直是影響電化學碳納米管纖維人工肌肉應用推廣的“卡脖子”難題。目前,團隊提出的這種新型電化學人工肌肉可以實現在一定頻率範圍內應變隨頻率增加而增大的效應。丁建甯認爲,“高頻響應驅動器應用潛力巨大。比如在仿生飛行器中,這樣的柔性材料就能適應飛行器高頻響應的需要。”

在此研究基礎上,課題組還分別使用陰離子和陽離子聚合物,成功制備全固態電解液人工肌肉,避免了液態電解液的使用,使得人工肌肉的實用性大大增強。

丁建甯表示,“拓展人工肌肉的工作頻率和工作溫度,以適應更廣泛的柔性機械電子系統和外骨骼機器人的應用需求,是課題組未來的努力方向之一。”

新型快速驅動電化學人工肌肉

新型人工肌肉實現了由單向驅動轉變爲雙向驅動

全固態電解液人工肌肉編織成智能織物

原文地址:http://www.sciencemag.org/content/371/6528/494(智能柔性機械電子研究院)