神奇的人造肌肉EAP

人工肌肉的制备与应用随着科技的不断发展，人们不断尝试着用已有的科技手段来模仿人体肌肉，从而实现更多实用性的应用。

其中，人工肌肉技术在这个过程中崭露头角。

它不仅具有强劲的动力和高效的反应速度，而且还可以在日常生活中得到广泛应用。

本文就来介绍一下，人工肌肉的制备和应用。

一、人工肌肉的概念和分类人工肌肉技术是一项涉及制造和应用人工材料，用以具有类似于人体肌肉的力量和动作的技术。

人工肌肉大致可以分为以下三类：1. 电致变型材料（EAPs）电致变型材料是指一些可以通过电场或磁场控制形状的材料。

它们基本上分为三种类型：电致活性聚合物、电致活性液晶和电解质。

2. 金属合金肌肉金属合金肌肉是一种基于特殊合金的肌肉技术，它能够收缩、伸展、旋转等多种运动方式。

目前金属合金肌肉技术已经被应用于航空工业和微机电机械等领域。

3. 压电效应肌肉压电效应肌肉是指一些具有动态压电效应的晶体材料。

它们可以通过外部电场或机械应力来产生变形，也可以通过外界压力或应力来产生电势差。

二、人工肌肉的制备各类人工肌肉的制备过程略有不同，但大致可以分为以下几个步骤。

1. 材料选择人工肌肉的制备材料最重要的是具有较为优异的物理性能。

一般来说，比较优秀的人工肌肉材料需要具备高度的可逆形变性能、快速的响应速度和良好的耐久性和质量稳定性。

2. 制备过程不同类型的人工肌肉采用的制备工艺和步骤不同，但基本上都包括模具设计、材料介入、材料及模具加工和装配等主要环节。

在制备过程中需要根据实际需要进行选择，如果希望实现快速响应和高效能的合成就需要考虑精细的结构设计和多种物理性能的交互作用。

3. 功能测试制备完成后，需要通过严谨的功能测试来验证人工肌肉的性能和稳定性。

在实验室中进行的功能测试包括肌肉的伸张和收缩等运动模拟，力学性能测试和电子状态评估等多个方面。

三、人工肌肉在生活中的应用人工肌肉技术已经在许多领域得到了广泛应用，例如康复中心、机器人技术和航空航天领域等。

人造肌肉的研究与发展肌肉是人体中重要的一部分，它不仅提供了人体运动的动力，还对维持身体内部环境平衡有着重要的作用。

在许多疾病中，肌肉功能的丧失会导致生活质量下降甚至危及生命。

由此，研究和开发出一种具有人工肌肉功能的材料变得越来越迫切。

人造肌肉（Artificial Muscle）是一种由聚合物材料制成的人工肌肉。

它可以对外界环境做出反应，具有线性可控的伸长和收缩能力。

人造肌肉目前已经成功应用于多个领域，例如医疗，机器人，航空航天等。

一、人造肌肉开发背景人造肌肉材料的开发可以追溯到19世纪，当时研究人员发现了一种叫做硝化棉的材料可以在受到电刺激时收缩。

这种效应被称为电致收缩（Electrostriction）。

随着科技的进步，人们开始使用一些新材料，比如刚度变形聚合物（Stiffness-Deformable Polymers）来代替硝化棉，这些材料的优点在于弹性好、可塑性强，能够在受到电刺激时快速的变形。

此外，还有其他类似功能的材料得到了广泛研究和应用，例如：聚丙烯（Polypropylene）、聚苯硫醚（Polyphenylene sulphide）等。

二、人造肌肉的工作原理人造肌肉的工作原理与肌肉非常相似，其实它的结构就是在模拟肌肉运动的过程。

与自然肌肉不同的是，人造肌肉是由各种材料制成的。

一般而言，人造肌肉包括两个部分：1. 拉伸杆。

它负责输送外部电能，并向人造肌肉施加拉伸力；2. 收缩杆。

它在受到拉伸力后，向外界提供收缩能量。

当人造肌肉接收到外部电能时，拉伸杆会产生拉力，同时收缩杆会收缩。

当电能消失时，拉伸杆和收缩杆会重新回归原先的形态。

这种伸长和收缩的过程会不断重复，形成了与真正肌肉非常相似的运动效果。

三、人造肌肉的应用前景：1. 医学：人造肌肉能够被用作人体肌肉的移植，帮助人体肌肉重新回复正常功能。

并可在机械辅助腿部、胳膊等医学设备方面得到应用。

2. 机器人：机器人在很多领域都有着广泛的应用，例如生产和物流等，而人造肌肉能够增加机器人人体化的特性，提高其工作效率和安全性。

仿生学：人造肌肉中的能量存储与转化几百年来，人们一直在向自然界寻求解决问题的答案，因此，衍生出了一门名为仿生学的学科。

“仿生学〞这一概念由澳大利亚仿生学研究所所长、自然历史作家珍妮班·亚斯于1998年首次提出。

亚斯表示：“向自然学习非常重要，毕竟，在38亿年漫长的进化过程当中，自然孕育了很多理念。

〞2005年，亚斯创办了全球首个仿生学研究所，其主要目的是帮助商业机构研发从自然界中获取灵感而得到的设计。

据英国播送公司〔BBC〕近日报道，英国布里斯托大学的科学家们研制出一种人造肌肉，科学家们有望在此根底上设计出一套能改变颜色的智能服装，最终让人能像乌贼一样伪装。

相关研究发表在英国物理学会创办的?生物灵感和仿生学?杂志上。

最新技术隶属于软机器人学领域，该领域将有机化学、软材料科学和机器人学有机融合在一起。

研究人员乔纳森·罗斯特表示：“传统的机器人非常僵硬而且不灵活，因此，我们希望将模拟自然的技术——仿生学和机器人学结合在一起，研制出非常善于自然制造的软构造。

我们研究并模拟了生物有机体的特征，制造出了这些人造肌肉。

〞为了研制出这些人造肌肉，科学家们研究了某些动物改变颜色的方式和技巧。

动物在躲避危险，受到情绪、压力和外部温度变化的影响或与配偶联系时，都会改变身体的颜色。

包括乌贼、鱿鱼、章鱼等在内的无脊椎软体动物会通过让其皮肤内细小的肌肉伸出黑色的小液囊来改变身体颜色。

这些小液囊位于动物的皮肤细胞内，当一个细胞准备改变颜色时，大脑会朝肌肉发送一个信号，接收到信号的肌肉会收缩。

这会使得这些液囊扩展并制造出光效应，使动物看起来就像改变了颜色一样。

不过，斑马鱼不一样，其主要通过从皮肤下喷射出黑色素液体到皮肤外表来改变身体颜色。

为了模拟出这些自然机制，该研究团队使用了同电路连接在一起的“智能〞电活性高分子材料。

当朝其上施加电压时，这些高分子材料会收缩；而当发生短路时，这些材料会恢复到原初的形状。

人工合成肌肉的原理与实现概述研究人员一直在探索人工合成肌肉的原理与实现。

这项技术的研究旨在开发一种人造肌肉，它的功能与真实的肌肉相似，并具有多种实际应用，如医学、机器人技术和航空航天等等。

在本文中，我们将介绍肌肉如何工作的基本原理，如何使用化学和电子技术来模仿真实肌肉的运动，并探讨肌肉合成技术的未来前景。

肌肉的基本原理肌肉是动物体内执行力量和运动的器官。

真实肌肉由肌肉细胞和神经元组成。

神经信号通过神经元到达肌肉细胞，导致肌肉细胞中线粒体释放能量，分解存在于肌纤维中的ATP（一种能量储备物质），并将其转化为肌肉的运动能量。

运动序列与想象序列类似。

这种能量转化使得肌肉细胞中的肌纤维缩短或放松，根据细胞对神经信号的反应，来完成各种运动。

人工合成肌肉技术的实现人工合成肌肉的方法主要有两种：化学刺激和电子刺激。

化学刺激是在材料中添加一些化学物质，使其能响应外界环境变化执行收缩或放松运动的功能。

一种常用的材料是聚合物水凝胶，它可通过充填空腔的方式进行肌肉伸展和收缩操作。

聚合物水凝胶的收缩速率和力量可通过调整聚合物的化学配方来控制。

电子刺激利用了电特性使合成肌肉运动。

将合成肌肉中的电极与外部电源连接，可以制造电极信号，模仿真实肌肉的神经信号。

电流出现的情况下，全电场内部分为阳极和阴极两侧，并在线性区有一个电势梯度，将流体某些离子运动。

离子的运动是导致合成肌肉引起收缩和伸展的主导因素。

未来肌肉合成技术的前景肌肉合成技术是一项具有巨大前景的技术。

除了医疗领域外，人工肌肉还可以应用于机器人技术和航空航天。

聚合物水凝胶肌肉合成技术在机器人和飞机上使用，将使设备吸收外部冲击和进行更快的运动变得更加容易。

总之，人工合成肌肉技术是一个具有前途的领域。

现阶段虽然技术尚未完善，但对研究人员来说，这是一个具有前景的技术，可以帮助我们更好地理解肌肉的运动机制，从而进一步提高其应用的效率和功能。

电活性聚合物(Electroactive Polymer, EAP)是一类能够在外加电场作用下，通过材料内部结构改变而产生伸缩、弯曲、束紧或膨胀等各种形式力学响应的新型智能高分子材料.根据电活性高聚物的致动机理，可以将其分为电子型EAP(Electronic EAP)和离子型EAP(Ionic EAP)两大类.电活性聚合物以其优异的电制动性能，主要用于微型传感器和传感器、及仿生器件.电活性聚合物最引人注目的特性是在其仿制生物肌肉时表现出来的高韧性、高的传动应变和内在减震能力.由于和生物肌肉的相似性，其被称作“人造肌肉”.目前，电活性聚合物材料的实际应用仍然面临着巨大的挑战.首先,市场上至今仍然不能批量供应有效而且耐用的电活性聚合物材料；其次，电活性聚合物材料性能数据库的建立也尚未完成；此外电活性聚合物的移动力还不够大，机械能密度也比较低，使它在目前设想到的某些用途中的实用性并不十分明朗.具最新消息称,在美国哈佛大学工程与应用科学学院与加利福尼亚州立大学伯克利分校的研究下,通过设计碳纤维和高聚物的排列，制造出了可产生弯曲和旋转等变形功能的部件.电活性聚合物 (EAP) 是一类能够在外电场诱导下，通过材料内部构造改变产生多种形式的力学响应的材料。

响应的形式可以有伸缩、弯曲、束紧或膨胀等，从而可以实现牵引、紧固等机械功能。

电活性聚合物及其特性在高分子化学中并非新闻，过去一段时间内，由于能够提供的材料太少而且性能不高, 因而没有得到应有的重视。

研究现状研究现状如何减轻飞行器的重量是航天技术发展过程中的重点，而有机聚合物材料因密度较低而受到重视。

最初有机聚合物主要用于部件制造或结构方面。

近来，聚合物的其它特点，其中包括四弹性也逐一引起科技界的关注。

1997 年 " 火星探路者 " 的着陆器用的充气软垫就是用电活性聚合物制成的。

此后，充气结构领域的发明一时多如雨后春笋，应用领域有移动器、充气塞 (Aerobot) 、充气望远镜、雷达天线等。

人工肌肉的原理与应用引言随着科技的发展，人们开始尝试模仿生物的运动方式，探索机械化肌肉的概念。

人工肌肉是指使用电力、空气或液压等力量来模拟人体自然运动，实现工业机器人、助行器等领域的自主式移动，等等。

那么它的原理是什么？如何应用呢？人工肌肉原理人工肌肉是一种由人造材料和能够响应外部刺激的附加系统组成的人工设备，被用来模拟生物肌肉的功能。

它的主要原理是利用智能材料的学科研究成果，对柔性材料在电、热、光或化学刺激下的响应来制造。

最常见的人工肌肉材料有智能合金、聚合物和仿生电子皮肤等。

智能合金是一种内能存储比其他合金大的合金，它可以通过加热缩短或者拉伸来实现外部刺激。

聚合物是一种由长链聚合物制造的材料，也可以通过电、热等方式使其膨胀或收缩。

象征电子皮肤是一种聚合物材料，内部包含感应器、负责信号转换的电路、小型电池组和高性能的储能电容器等多种组件。

根据受刺激的机构不同，可以将人工肌肉分为电动人工肌肉、热致驱动人工肌肉、光致自带人工肌肉、化学驱动人工肌肉等几种类型。

电动人工肌肉电动人工肌肉是最常见的人工肌肉类型。

它由金属线圈、绝缘材料和电池组成。

它模仿了人体自然运动，当电荷通过金属线圈的时候，线圈内的磁场被激活，金属线圈被吸引或推开。

这个电子设备适用于机器人、助行器等领域。

热致驱动人工肌肉热致驱动人工肌肉由两个层叠的聚合物层组成，其中第二个聚合物层赋予了人造肌肉能快速收缩的能力。

两个层之间放置了金属电极，在电极之间加电流时，金属将会发热，使聚合物膨胀，并使人造肌肉膨胀和收缩。

光致自带人工肌肉这种人工肌肉将光敏染料嵌入到聚合物中，并使用可见光或紫外线照射的方式驱动人造肌肉的膨胀和收缩，使其摆脱了电动人工肌肉繁琐的组装和材料损耗。

化学驱动人工肌肉通过将酸、碱或其他化学成分注入聚合物材料中，可以驱动人造肌肉。

当化学反应发生时，聚合物材料膨胀和收缩，进行动力学操作，实现运动作用。

人工肌肉应用人工肌肉的应用非常广泛，它既可以被用于人造机器人，又可以被用来打造高性能外骨骼、助行器、智能假肢和智慧家居等。

仿生人工肌肉分类：学科建设| 标签：驱动材料聚合物弹性体机械2011-02-19 17:11阅读(?)评论(1)自古以来, 自然界就是人类各种技术思想、工程原理及重大发明的源泉。

20 世纪中期, 人们越来越深刻认识到大自然的启发对于开发新材料和新技术的重要性, 从而提出仿生学概念并建立仿生学这一学科。

随着研究的发展, 仿生学已成为自然科学的一个前沿和焦点。

进入21 世纪以来, 随着机器人开发的不断深入以及人们对智能机械系统的强烈需求, 作为机器人和智能机械系统驱动关键的人工肌肉已成为仿生领域的研究重点。

电活性聚合物驱动器具有应变高、柔软性好、质轻、无噪声等特点, 与肌肉有着极为相似的特性, 甚至在一些方面的性能已经超过了肌肉, 被公认为是最合适的仿肌肉材料, 称之为/ 人工肌肉。

近二十年来, 在电活性聚合物驱动材料方面取得的研究进展使得仿生的/ 人工肌肉研究得以飞速发展Progress in Biomimetic Electroactive Polymer Artificial Muscles。

肌肉是生物学上可收缩的组织, 具有信息传递、能量传递、废物排除、能量供给、传动以及自修复功能, 一直以来就是研究者开发驱动器灵感的来源, 人类很早就致力于仿生物肌肉的/人工肌肉研发。

上世纪50 年代, McKibben 首次研制了气动驱动器, 并发展成为商业上的McKibben 驱动器[1] , 但是作为人工肌肉材料, McKibben 驱动器体积大, 而且受到辅助系统的限制。

形状记忆合金也被尝试用作人工肌肉材料[ 2] , 与同时代的驱动材料相比, 具有高能量密度和低比重等特点, 但同样存在许多不利因素, 如形变不可预知性, 响应速度慢以及使用尺寸受限等, 这些都制约了其在人工肌肉材料方面的发展。

电活性陶瓷是人工肌肉的另一个备选材料, 其响应速度较形状记忆合金快, 但是脆性大, 只能获得小于1% 的应变[ 3] 。

科学家研制成功可快速自愈人造肌肉，人人都可成为金刚狼
金刚狼以无坚不摧的合金狼爪和性感鬓角成为一代偶像，但他最强悍最有用的能力还是肌肉的快速自愈能力，受损后可以在很短的时间内自动修复，从而战斗力大增，成为无敌变种人。

虽然金刚狼只是电影中的人物，酷爱这部电影的王超却决定要把这种技术变成现实，他和同事一起研究数年，终于制造出一种惊人的具有自愈能力的人造肌肉原型材料，论文已在高级材料杂志上发表。

王超来自加利福尼亚大学河滨分校，使用一种叫做“离子-偶极相互作用”的机制制造了一种软橡胶状透明材料，可以拉伸到原始长度的50倍，把它切开后，可以立刻开始愈合，仅仅五分钟后，就可再次拉伸到两倍，室温下24小时，切口就会自己愈合，而且性能恢复到与切割之前完全相同的水平。

人类肌肉通过响应大脑信号产生动作，科学家们制造的这种材料是一种离子导体，同样可以在电信号刺激下，以和人类肌肉响应脑信号而产生动作的相同方式激活。

这种可自愈的透明软橡胶状材料成本低廉且易于生产，自愈能力意味着它可以修复由磨损造成的损伤，延长使用寿命，降低材料和设备的成本，具有非常广泛的用途。

如生产比金属肢体更强和更柔性的人造肌肉，以及用于环境监测和医学领域的生物传感器，还可用于电动汽车和电子设备中的锂离子电池以延长其使用寿命。

这种材料在太
空探索领域更有着极为关键的用途，如飞船和设备的自我修复，机器人的生产制造及自我修复等等。

也许有一天，人类也会把这种材料覆盖到自己身上，变成和金刚狼一样具有强大战斗力的不死之身，谁知道呢？。

新型人造肌肉力量可达人类肌肉85倍
据《自然》网站报道，一种拥有广泛用途的革命性超强壮人造肌肉问世，其由石蜡填充的碳纳米管纤维制造而成，可驱动超过自身体重10万倍的重物，并提供超过天然骨骼肌85倍以上的机械功率。

新的人工肌肉是由美国得克萨斯大学达拉斯分校雷·鲍曼教授组博士后马修·立玛和南开大学化学学院陈永胜教授组博士生李娜共同担任第一作者的研究成果。

它可以模仿肌肉收缩产生力量。

将石蜡嵌入经过编织形成一种特殊结构的碳纳米管纤维中，通过直接加热、电加热，或者使用一道闪光，石蜡就会发生体积膨胀，使整个“肌肉”膨胀。

但由于碳纳米管纤维特殊的结构，“肌肉”的长度会同时发生收缩，就产生了力量。

随着通电和断电，肌肉丝扭曲和恢复所产生的扭力足以为微型弹射器提供动力，在实验室工作台上发射金属箔片。

研究人员决定建造一个弹射器来展示此项新发明的奥妙。

这种“肌肉”的举重能力是同等尺寸的天然肌肉的200倍，如果按重量相比，产生的扭力高于大型电动发动机。

但人工肌肉还不能完全吊起一架钢琴，因为当前可行的生产技术限制了丝的重量。

鲍弗曼说：“我们能举起50克，如果你说50吨，那不是一个层面的问题。

”
新型人造肌肉可编、可缝、编成辫子和打结，可用于制造智能自驱动材料和布料。

鲍弗曼估计，仅两年内，它们就能够作为制动器被应用于微流体系统中，或者作为光学相机的组件被应用于智能传感器。

鲍弗曼说：“现在，我们正研究一种百叶窗，如果室温能达到足够热，石蜡熔化，肌肉丝收缩，使百叶窗关闭。

”鲍弗曼表示，他们面临的下一个挑战是如何按比例放大这项技术。