仿生学人造肌肉中的能量存储与转化.doc

PAGE  PAGE 18 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。 据英国广播公司（BBC）网站近日报道，英国布里斯托大学的科学家们研制出一种人造肌肉，科学家们有望在此基础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。 ? 必威体育精装版技术隶属于软机器人学领域，该领域将有机化学、软材料??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结构。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表面来改变身体颜色。 ? 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。 ? 罗斯特指出：“我们制造出的人造肌肉能复制天然肌肉的活动，并且具有非常强的视觉效果。这些材料以及这种方法可以很好地制造出智能变色皮肤或柔性设备（这些设备内的液体可以从一个地方泵压到另一个地方），并有望在此基础上创造出很多新技术，制造出能改变颜色进行伪装的智能服装以及让人体冬暖夏凉的‘智能’皮肤。” 　　一类新颖的致动设备(例如致动器、发动机、发电机等)正在步入商业化。它们基于在受到电刺激时会改变形状的聚合物。 　　那不过是一只价值100美圆的玩具 —— 一个玻璃缸，里面游弋着一群日本大阪的Eam ex公司生产的机器鱼。不同寻常的地方在于，这些靠内在力驱动的塑料鱼，在水中游动的姿势几乎与真的鱼一样，而且其内部不包含任何机械部分：没有马达、没有传动轴、没有齿轮、甚至连一节电池都没有。这些鱼之所以会游泳，是因为它们的塑料内脏在来回弯曲，就像鱼有自己的意志一样。它们是基于一种新一代改进型电活化聚合物(EAPs)的第一批商业化产品，这种塑料聚合物在电刺激下会产生移动。 　　数十年前，构建致动器或者致动设备的工程师就已经为肌肉找到了一种人造替代物。作为对神经刺激的响应，肌肉只须改变长度就能够准确地控制其施加的力量，例如眨眼睛或举起杠铃。同时，肌肉还表现出比例恒定的属性：对于各种尺寸大小的肌肉，其机理都一样，相同的肌肉组织既可以给昆虫、也能够为大象赋予力量。因此，对于难以制作电动马达的驱动设备，某种类似肌肉的东西也许会有用武之地。 　　EPAs号称要成为未来的人造肌肉。研究人员已经在雄心勃勃地工作，希望能够为许多当代的技术寻找基于EPA的可选方案，而且不害怕将他们的发明物与自然物竞争。几年前，有几个人，包括来自美国加州帕萨迪纳喷气推进实验室(JPL)的高级科学家Yoseph Bar-Cohen，向电活化聚合物研究团体发起了一项挑战，以激发人们对该领域的兴趣：展开一项竞赛，看谁能够最先制造出EAP驱动的机器人手臂，而且必须在与人的手臂的一对一掰手腕比赛中取胜。然后，他们开始寻找赞助商的资助，为优胜者颁发现金作为奖励。 　　目前而言，最有前途的工作也许是美国斯坦福研究院(SRI)正在做的研究，SRI是基于加州门洛帕克市的一家非盈利合同型研究实验室。SRI管理层希望能够在几个月内，将所需资金中的400～600万美元作为最初投资，组建一家让产易股的公司(暂时命名为人造肌肉综合公司)以实现其专利EPA技术的商业化。即使现在，SRI手里仍然有着六项研发合同，甲方包括美国政府以及来自玩具、汽车、电子、机械产品和鞋类行业的公司。SRI正在努力，以期尽快将人造肌肉推向市场。 　　这家新公司的目标是什么？只不过想以使用SRI的新颖致动器的更小、更轻、更便宜的产品，取代无数我们经常使用的电动马达，以及许多