人造肌肉的应用领域

2025-03-30 20:00:30

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回答1：

20世纪80年代，科学家发现，非金属材料能在电流的作用下运动，于是开始构想人造肌肉。作为人造肌肉的先驱者，美国航空航天局的科学家约瑟夫·巴·考恩用自己的研究成果证明，通过电流刺激，可使高分子材料自动伸缩和弯曲，研制出具有与人类肌肉相同机能的人造肌肉。简单地说，人造肌肉由粘合性塑料材料制成，是把管状导电塑料集束成肌肉一样的复合体，在管内注入特殊液体，导电性高分子在溶液中释放出离子，在电流的刺激下完成伸缩动作。通过控制电流强弱调整离子的数量，可以有效改变人造肌肉的伸缩性。相反，通过改变复合体的形状也可以产生电。
人造肌肉具备人类肌肉的功能。在人造肌肉中，一根直径为0．25毫米的管状导电塑料可承重20克，相同的体积，人造肌肉比人体肌肉的力量强壮10倍。
当然，研制人造肌肉，并不是科学家的心血来潮，而是为了排除人类探索自然过程中的障碍。在探测火星和其他星球的科学实验中，传统引擎驱动的机器人，除了关节之外，四肢没有任何可以活动的关联处，能量上自然是捉襟见肘。如果有了人造肌肉，四肢更加发达，能将分子能量的70%转化为物理能量，远远大于电动引擎的功率。一种名为Birod的生物机器人已问世，它可以负载超过自身1.7万倍的重量。Birod既不怕火星的沙尘石，还大大减轻了自身的重量。如果把人造肌肉仅仅用于战争，那实在太令人遗憾了，可喜的是，未来，凡是需要小型电动引擎来驱动的制造产业，人造肌肉都有用武之地。
汽车制造商就对人造肌肉很感兴趣。一辆汽车通常需要50到100个驱动传动装置，如果这些装置改用人造肌肉作驱动力，不光可增强耐磨性，更能极大地提高功率。人造肌肉灵活柔软的特性还可以用来制造医用导管和在地震救灾中大显身手的蛇形
机器人。作为生物型机器人的尝试，日本大阪的伊美克斯公司还利用人造肌肉研制成一种可以乱真的机器鱼。机器鱼长6.7厘米，在水中游动的姿态与真鱼没什么差别，更难得的是，它的“耐力”可保持半年时间。机器鱼的肚子里既没有装马达、机轴、齿轮等机械装置，也没有电池，完全是靠伸缩自如的高分子材料自行驱动。
有的科学家甚至想把人造驱动产品带到2004年雅典奥运会上去，这个设想一旦实现，人们将在奥运赛场上看到前所未有的奇观，无论是跳高举重，还是赛跑游泳，人造驱动产品的表现都将令人吃惊。
不管是在军事领域，还是在商业制造领域，人造肌肉都将发挥无可估量的作用。考恩教授说：“我们不需要什么齿轮，也不需要轴承，我们所需要的就是可以导电的高分子材料。这将改变机器人研究的蓝图。” 人造肌肉是一种在电场的作用下能够伸缩的塑料，在电视和电脑屏幕里，它可以产生真正的逼真色彩。在未来10年内，以这些材料为基础制造的微小的“可调棱镜”，就会出现在改进型显示器上，充当起像素的角色。现有的显示设备，比如电视显像管、液晶显示屏或等离子显示器，都不能完全再现人类能看到的所有颜色。这些屏幕上的每个像素都由3个发光元件构成，每个元件发出三原色（fundamentalcolor，即红、绿、蓝三色）中的一种。显示器将不同亮度的三种颜色混合在一起，就能产生其他的颜色，不过这种方式得到的颜色范围受到限制。
瑞士联邦理工学院苏黎世分校的曼纽尔·阿什万登（ManuelAschwanden）和安德里亚·施特默尔（AndreasStemmer），研制出了一种给屏幕染色的新方法。他们采用了反射式衍射光栅组成的阵列。光栅是一种微小的光学元件，它们的表面布满一系列纤细、平行和等距的凹槽。这些凹槽可以像棱镜一样，把白光分解为缤纷的彩虹。阿什万登说：“拿起一张光盘，用底面斜对着阳光，你就能看到同样的效果：阳光在规则刻划的表面上，反射成了七彩虹光。”
为了检验这种概念的可行性，两位研究者制造了一个包含10个像素的光栅阵列，每一个像素都是一个衍射光栅。阿什万登解释说，白光先照射到一个边长约75微米的光栅上。在光栅表面一层薄薄的聚合物膜上，浇铸着一条条间距1微米的凹槽。施加不同的电压，光栅就会膨胀或收缩，这样照射进来的光线遇到的凹槽就会时疏时密。这种效果改变了光线被反射回去的角度，因而使反射形成的七彩虹光的位置发生明显的偏移。在光栅的前面放上遮光板，只留出一个小孔，这个系统就能分离出特定的颜色，只让这种色彩透过小孔射出来。改变电压，使不同颜色的光对准小孔，系统就能显示不同的色彩。
为了在一个标准显示器上显示复合色，每一个像素将由两个或多个衍射光栅组成。这是必需的，因为一些颜色并不出现在白光分解而成的七彩虹光之中，比如棕色就是如此。
阿什万登说，虽然这个系统还太小，无法实际应用，但是它的像素密度却和一个高质量液晶显示器相同。他也坦然承认，他的发明要想应用到某种视频产品上，还有很长的路要走。他们制作的下一个原型系统，将是一个拥有400个光栅的阵列。他们“显示器”的工作电压是300伏特，比家庭用电的电压高很多，不过正在研制的新材料将会降低这个工作电压。美国斯坦福大学的电子工程师、硅光机械公司（SiliconLightMachines）创始人之一、微光电子技术的开拓者奥拉夫·索尔高（OlavSolgaard）评论说：“这是彩色显像领域一个非常有趣的成果，不过要达到实用水平，它还需要面对非常严峻的技术挑战。”他列举了几个潜在的技术障碍，比如，为了取得良好的对比度，该如何产生所谓的“全黑像素”；再比如，考虑到光栅“丢弃了相当一部分光线”，又该如何有效地维持图像的亮度。对于被动显示器，也就是那些把周围的白光反射成图像的显示器来说，这项技术也许非常有用，它们可以被应用到手机上。
不管怎么说，苏黎士的研究人员并没有局限在显示器上，他们正在开拓其他的应用领域。他们已经研制出一台高分辨率显微镜的原型样机，其原理是，利用人造肌肉膜改变单色光束的方向。“对光线进行调整或变向，是许多光学系统的基础，”阿什万登强调，“这一成果为完成这些任务提供了一种便宜而且精准的方法。”

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