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  1月29日，哈爾濱工業(yè)大學(xué)與美國德克薩斯大學(xué)達(dá)拉斯分校、江蘇大學(xué)、韓國漢陽大學(xué)、澳大利亞臥龍崗大學(xué)等單位合作，首次發(fā)現(xiàn)通過聚電解質(zhì)功能化的策略，可實(shí)現(xiàn)人工肌肉智能材料的“雙極”（Bipolar）驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)椤皢螛O”（Unipolar）驅(qū)動(dòng)，同時(shí)發(fā)現(xiàn)了人工肌肉隨電容降低，驅(qū)動(dòng)性能增強(qiáng)的反�，F(xiàn)象（Scan Rate Enhanced Stroke, SRES），這一重要突破解決了人工肌肉驅(qū)動(dòng)性能的電容依賴性問題，為后續(xù)設(shè)計(jì)具有無毒、低驅(qū)動(dòng)電壓的高性能驅(qū)動(dòng)器提供新的理論基礎(chǔ)。研究成果以“單極沖程、電滲泵碳納米管紗線肌肉”（Unipolar-Stroke, Electroosmotic-Pump Carbon Nanotube Yarn Muscles）為題，在線發(fā)表于著名學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》（Science）上，哈爾濱工業(yè)大學(xué)為共同通訊作者和共同第一作者單位，其中冷勁松教授為共同通訊作者（江蘇大學(xué)丁建寧、哈爾濱工業(yè)大學(xué)冷勁松、美國德克薩斯大學(xué)達(dá)拉斯分校Ray H. Baughman），其博士畢業(yè)生楚合濤為共同第一作者（楚合濤、胡興好、王鍾、穆九科）。2014至2016年，楚合濤在德克薩斯大學(xué)達(dá)拉斯分校進(jìn)行博士生聯(lián)合培養(yǎng)，自2014年起，冷勁松教授課題組與德克薩斯大學(xué)達(dá)拉斯分校Ray H. Baughman教授課題組開始該項(xiàng)工作研究，并取得了關(guān)鍵性突破。

  目前，新材料正由輕質(zhì)、多功能化向智能化方向發(fā)展。智能材料（Smart Materials）是指一類可以在外界激勵(lì)下做出主動(dòng)響應(yīng)的新材料，具有自驅(qū)動(dòng)、自監(jiān)測、自修復(fù)等多種功能，在人工智能、智能制造、生物醫(yī)療、機(jī)器人等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。聚合物纖維與碳納米管紗線人工肌肉是一種典型的智能材料，主要通過熱、電化學(xué)兩種方式實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)。由熱力學(xué)定律可知，熱驅(qū)動(dòng)受到卡諾循環(huán)效率的限制，從而影響了其應(yīng)用潛力。相比而言，電化學(xué)驅(qū)動(dòng)克服了卡諾循環(huán)效率限制的問題，能量轉(zhuǎn)換效率更高，具有更廣闊的應(yīng)用前景。

  傳統(tǒng)的電化學(xué)碳納米管紗線人工肌肉（以下稱：人工肌肉）存在以下局限性：（1）陰陽離子的嵌入、嵌出過程使得驅(qū)動(dòng)應(yīng)變與掃描電壓之間呈現(xiàn)出“雙極”效應(yīng)，這意味著在電化學(xué)窗口內(nèi)，纖維尺寸不是單調(diào)性變化，反向離子的嵌入、嵌出抵消了驅(qū)動(dòng)應(yīng)變，從而降低了人工肌肉的驅(qū)動(dòng)性能；（2）人工肌肉的性能完全依賴于工作電極的電容特性，即隨著掃描速率的增加，性能急劇降低。因此，傳統(tǒng)的人工肌肉只能產(chǎn)生單向驅(qū)動(dòng)，而且需在極低的掃描速率下工作。

  針對以上問題，本研究通過聚電解質(zhì)（零點(diǎn)電位移動(dòng)試劑）功能化的策略，改變?nèi)斯ぜ∪獾牧泓c(diǎn)電位：（1）實(shí)現(xiàn)了單一離子嵌入、嵌出的“單極”效應(yīng)，解決了“雙極”效應(yīng)反向離子的嵌入、嵌出引起的性能降低問題，提高了做功效率與能量密度等性能；（2）人工肌肉隨掃描速率增加，驅(qū)動(dòng)性能增加，實(shí)現(xiàn)了SRES效應(yīng)，解決了傳統(tǒng)人工肌肉驅(qū)動(dòng)性能的電容依賴性問題。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，SRES效應(yīng)是因水合離子在高掃描速率或脈沖頻率下可帶動(dòng)周圍的水分子，從而增大了離子的有效尺寸，提高人工肌肉性能。

  相比于傳統(tǒng)人工肌肉，該人工肌肉具有無毒、驅(qū)動(dòng)頻率高（高達(dá)10 Hz）、驅(qū)動(dòng)電壓低（1 V）、高比能量（0.73~3.5 J/g），高驅(qū)動(dòng)應(yīng)變（3.85~18.6 %）以及高能量密度（高達(dá)8.17 W/g）等特性，在空間展開結(jié)構(gòu)、仿生撲翼飛行器、可變形飛行器、水下機(jī)器人、柔性機(jī)器人、可穿戴外骨骼、醫(yī)療機(jī)器人等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。

人工肌肉類型以及“單極”、“雙極”驅(qū)動(dòng)特征對比

  在杜善義院士、韓杰才院士的帶領(lǐng)下，哈爾濱工業(yè)大學(xué)復(fù)合材料與結(jié)構(gòu)研究所于20世紀(jì)90年代初在國內(nèi)較早地確立了智能材料與結(jié)構(gòu)的研究方向。在“崇德廣業(yè)，窮理致用”發(fā)展理念的指導(dǎo)下，冷勁松教授課題組長期從事智能材料結(jié)構(gòu)力學(xué)及應(yīng)用研究，主要研究方向包括形狀記憶聚合物及其復(fù)合材料結(jié)構(gòu)、人工肌肉、多功能納米復(fù)合材料結(jié)構(gòu)、空間可展開結(jié)構(gòu)、可變形飛行器、柔性機(jī)器人、4D打印技術(shù)及生物醫(yī)療器件、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測、振動(dòng)主動(dòng)控制等。

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