顆粒在線訊：人工肌肉在加速機器人、外骨骼和假肢的發(fā)展方面具有巨大的潛力。肌肉的收縮和放松使動物能夠完成各種感應(yīng)動作。人們從肌肉出色表現(xiàn)得到靈感，對模仿肌肉運動越來越感興趣，比如移動、抬起、旋轉(zhuǎn)和彎曲。過去幾十年里，已開發(fā)出幾類類似肌肉的傳動裝置。諸如，基于電介質(zhì)彈性體、刺激響應(yīng)聚合物、形狀記憶合金以及碳復(fù)合材料的傳動裝置有望替代傳統(tǒng)的電動、液壓、氣動及伺服等系統(tǒng)，實現(xiàn)輕量化和低成本制造。然而，這些人工肌肉存在高驅(qū)動力低應(yīng)變、不能長期在水下工作以及時間響應(yīng)慢等問題。

近日，來自中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)精密機械與精密儀器系的張世武教授團隊提出一種通過電化學(xué)調(diào)節(jié)液態(tài)金屬界面張力的手段來模擬肌肉收縮和伸展的新型液態(tài)金屬傳動裝置。這種液態(tài)金屬人工肌肉（LMAM）可以在不同的pH范圍（0-14）的溶液中工作，以15 mm s-1的最大延展速度實現(xiàn)高達87 %的驅(qū)動應(yīng)變。值得注意的是，LMAM只需0.5 V非常低的驅(qū)動電壓實現(xiàn)電能向機械能轉(zhuǎn)化的傳動效果。作者將LMAM裝在一條仿生機器魚的尾部驅(qū)動其在1 min內(nèi)向前游動約15 cm（附加視頻5）。LMAM的這種簡單性、多功能性和有效性對于擴展軟體傳動器性能空間極具潛力，可實現(xiàn)從工程領(lǐng)域到生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。相關(guān)論文以題為“A Liquid Metal Artificial Muscle”發(fā)表在Advanced Materials上。

論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202103062

在這項工作中，LMAM傳動器所使用的液態(tài)金屬是鎵（Ga），可以與其他幾種金屬結(jié)合形成熔點低于室溫的合金，比如75 wt%鎵和25 wt%銦構(gòu)成的鎵銦合金（EGaIn）。雖然熔點低，但該合金無毒，且在室溫下零蒸汽壓，可安全使用。鎵基液態(tài)金屬合金具有較高的電導(dǎo)率和導(dǎo)熱率，使其能夠廣泛應(yīng)用于柔性和可重組變形系統(tǒng)。在沒有氧化層存在的情況下，鎵基液態(tài)金屬具有目前任意已知的室溫液體中的最大界面張力（> 600 mN m-1，其值取決于成分和環(huán)境）。但，在溶液中施加氧化電位，通過電化學(xué)方法可將其較大的界面張力調(diào)控到接近零。大幅度的電可調(diào)界面張力可產(chǎn)生力的較大變化，從而將電能轉(zhuǎn)化為機械能?；谏鲜鲈?，本文作者利用液態(tài)金屬界面張力的變化制造了一種新型的水下傳動裝置。

圖1.液態(tài)金屬人工肌肉（LMAM）的傳動。（a）單個LMAM單元在舒張狀態(tài)下的示意圖；（b）液態(tài)金屬液滴的還原和氧化狀態(tài)；（c）組裝的單LMAM單元在收縮狀態(tài)下的示意圖；（d）帶有四個液態(tài)金屬液滴的LMAM示意圖；（e）液態(tài)金屬液滴、銅墊片和電極的構(gòu)造模型圖；（f）LMAM承載負荷示意圖；（g）LMAM在收縮和擴展?fàn)顟B(tài)下的俯視圖和前視圖的照片；（h）帶有四個EGaIn液滴的LMAM驅(qū)動1克砝碼活動（100 μL 0.2 mol L-1 NaOH溶液環(huán)境、0.25Hz的4到-0.5 V之間的電壓驅(qū)動）

圖2. 影響傳動性能的參數(shù)。（a）不同循環(huán)下記錄的位移-力曲線（在4至-0.5 V，0.5 Hz條件下激活）；（b）沖程相較于電壓的變化。綠色曲線表示加載0.07 g上基板的LMAM，陰影區(qū)域表示標準偏差；（c）銅片直徑對LMAM傳動性能的影響；（d）EGaIn液滴尺寸對LMAM傳動性能的影響；在0.5 V還原電壓下，不同氧化電壓和頻率對（e）Δd和（f）ΔF的影響；不同（g）NaOH溶液濃度、（h）電解液體積和（i）液態(tài)金屬類型（40 ℃）對LMAM傳動性能的影響；（j）Δd作為施加的氧化電壓和負載重量的函數(shù)分布圖。在“禁區(qū)”，LMAM無法推動負載；（k）LMAM在2小時內(nèi)驅(qū)動測試載荷循環(huán)≈4000次的推力穩(wěn)定性。插圖：≈4000個執(zhí)行周期的位移測量，誤差柱代表標準差（n≥5）

圖3. 多個LMAM單元的串并聯(lián)組裝。（a）并聯(lián)LMAM中的液滴分布示意圖；（b）由8個液滴組成的LMAM快速驅(qū)動重量為2克的物體照片；（c）EGaIn液滴數(shù)對傳動性能隨的影響；（d）三層LMAM的液滴分布示意圖；（e）兩層和三層LMAM的傳動照片；（f）LMAM層數(shù)變化對傳動性能影響。誤差條表示標準偏差（n≥5）

圖4. LMAM應(yīng)用實例。（a）驅(qū)動雙模顯示器的照片；基于LMAM貨物配送系統(tǒng)的（b）示意圖和（c）照片；（d）基于LMAM可重構(gòu)光學(xué)反射器示意圖；可重構(gòu)光學(xué)反射鏡在（e）一維和（f）二維中調(diào)整反射角度的照片

圖5. LMAM驅(qū)動單尾鰭仿生機器魚游動的展示。（a）機器魚的橫斷面示意圖，其中電池和控制模塊密封在魚的頭部，尾部通過軸固定在魚的主體上（橙色部分）；魚擺動尾鰭的（b）示意圖和（c）照片；（d）機器魚在NaOH溶液中游泳的俯視圖和前視圖（每個EGaIn液滴的體積為30μL）；（e）機器魚在溶液中游動的位移與時間關(guān)系圖

總的來說，這項研究成果提出了一種基于液態(tài)金屬液滴界面張力可逆和電控變化的新型人工肌肉。這種液態(tài)金屬人造肌肉在輸入0.25 Hz 4 V的電壓條件下表現(xiàn)出45 %（最高可達86%）的高應(yīng)變響應(yīng)，其響應(yīng)時間可以忽略不計；在1 V電壓下，可0.14 s內(nèi)實現(xiàn)舒張響應(yīng)。通過人工肌肉單元的并聯(lián)和串聯(lián)，可以進一步提高系統(tǒng)的行程和傳動力。在超低驅(qū)動電壓下產(chǎn)生較大應(yīng)變，實現(xiàn)高性能傳動裝置的應(yīng)用，顯示出其在智能、柔性元件領(lǐng)域的巨大潛力，諸如微流控、顯示器、仿生軟機器人和生物醫(yī)學(xué)設(shè)備等。該研究證實了基于液態(tài)金屬液滴的傳動裝置能夠在低輸入電壓下實現(xiàn)機器人的操控，從而為未來基于微功率器件更先進的技術(shù)鋪平道路。