只是壹個價值$ 100的玩具——壹個玻璃罐，裏面有壹群Eam在日本大阪遊泳。
ex公司生產的機器魚。不同尋常的是，這些由內力驅動的塑料魚幾乎像真魚壹樣在水中遊泳，它們內部不包含任何機械部件:沒有電機，沒有傳動軸，沒有齒輪，甚至沒有電池。這些魚能遊泳是因為它們的塑料內臟在來回彎曲，就像魚有自己的意誌壹樣。它們是第壹批基於新壹代改進的電活性聚合物(EAPs)的商業產品，可以在電刺激下移動。
幾十年前，制造致動器或致動裝置的工程師已經找到了肌肉的人工替代品。作為對神經刺激的反應，肌肉可以通過改變長度來精確控制自己施加的力，例如眨眼或舉杠鈴。同時，肌肉也表現出比例不變的性質:對於各種大小的肌肉，其機制都是壹樣的，同樣的肌肉組織可以賦予昆蟲和大象力量。因此，類似肌肉的東西可能對難以制造電動馬達的驅動設備有用。
EPAs聲稱是未來的人造肌肉。研究人員已經雄心勃勃地工作，希望為許多當代技術找到基於EPA的替代品，並且不怕與自然物體競爭他們的發明。幾年前，包括來自加州帕薩迪納噴氣推進實驗室(JPL)的高級科學家Yoseph Bar-Cohen在內的幾個人向電活性聚合物研究小組發起了壹項挑戰，以激發人們對這壹領域的興趣:舉行壹場比賽，看誰能首先制造出EAP驅動的機械臂，必須贏得與人類手臂壹對壹的掰手腕比賽。然後，他們開始尋找贊助商的支持，並給獲勝者現金作為獎勵。
目前，最有希望的工作可能是斯坦福研究所(SRI)正在進行的研究，該研究所位於加利福尼亞州門洛帕克的壹個非營利性合同研究實驗室。SRI管理層希望成立壹家公司(暫時命名為人造肌肉綜合公司)，以400萬至600萬美元作為初期投資，在幾個月內實現其專利EPA技術的商業化。即使現在，SRI手中仍有6份R&D合同。甲方包括美國政府和玩具、汽車、電子、機械產品和鞋類行業的公司。SRI正在努力盡快將人造肌肉推向市場。
這家新公司的目標是什麽？我只是想用更小、更輕、更便宜的產品，用SRI的新型致動器取代無數的電動機和許多其他致動裝置。其實驗室業務發展部主任菲利普·馮·古根貝格(Phillip von Guggenberg)指出:“我認為這項技術是實現機械致動領域革命的好機會。我們希望普及這項技術，讓它成為妳可以在五金店買到的東西。”
人工肌肉材料
自20世紀60年代中期以來，Bar-Cohen壹直是不斷變化的國際EAP研究人員的非正式協調員。回到它的初期，“我在科學論文中讀到的電活性聚合物材料並不像廣告中宣傳的那樣神奇，”他回憶道，狡黠地笑著。“當我從美國國家航空航天局獲得資金來研究這項技術時，我必須找出誰在這個領域工作，以便從中找到壹些靈感。”短短幾年時間，Bar-Cohen已經掌握了足夠的知識，幫助舉辦了第壹次關於這壹主題的科技研討會，開始出版EAP簡訊，出版了EAP網站，並就這壹新興技術撰寫了兩部作品。
在噴氣推進實驗室(JPL)院子裏的壹棟低矮的研究大樓裏，測試臺上擺滿了各種各樣的致動設備和測試裝置的原型，巴-科恩開始回顧這個他早已熟知的領域的歷史。他說:“長期以來，人們壹直在尋找不用電動機來移動動物的方法，因為電動機對於許多應用來說太笨重了。在EPAs出現之前，電機的標準替代技術是壓電陶瓷，這壹度是研究的熱點。”
在壓電材料中，機械應力會導致晶體極化，反之亦然。用電流刺激這種材料會使它變形；電可以通過改變它的形狀來產生。
巴-科恩從壹個實驗臺上拿起壹個淺灰色的小平板，說道:“這個平板是由PZT(鋯鈦酸鉛)制成的。”他向我們解釋說，電流使壓電PZT收縮或膨脹，振幅不到其總長度的1%。變形雖小，但有用。
在隔壁房間，Bar-Cohen展示了壹個由PZT板驅動的壹英尺長的沖擊鉆機，他正在與JPL的同事和Cybersonics的工程師壹起開發。他說:“這個圓筒裏是壹堆壓電板。當交流電激活時，這堆板會以超音速拍打鉆頭，鉆頭會高速上下跳動，從而鉆入堅硬的巖石。”另壹邊是成堆的石頭，被鉆了很深的洞。
作為壹個例子，鉆頭顯示了用壓電陶瓷制作致動器的有效性，這真是令人印象深刻。然而，在許多應用中，要求電活性材料的膨脹範圍超過0.0%。
塑料對電的反應
Bar-Cohen告訴我們，響應電流而改變形狀的聚合物可以分為離子型和電子型兩大類，它們的優缺點正好互補。
離子型電活性聚合物(包括離子聚合物凝膠、離子聚合物如金屬復合材料、導電聚合物和碳納米管)的工作原理是電化學——即正負離子的運動和擴散。它們可以直接由電池驅動，因為即使是個位數的電壓也能讓它們大幅度彎曲。缺點是離子型EAP通常必須是濕的，所以它們應該密封在柔性薄層中。許多離子型電活性聚合物的另壹個主要缺點是，“只要接通電流，材料就會不斷移動，”巴-科恩指出，並補充道:“如果電壓超過壹定值，就會發生電解，這會對材料造成不可修復的損害。”
相反，電子電活性聚合物(如鐵電聚合物、電介質、電絕緣橡膠和電致伸縮接枝橡膠)是由電場驅動的。它們需要相對較高的電壓，所以會產生不舒服的電擊。但是，作為回報，電子EPA可以快速響應並傳輸強大的機械力。它們不需要保護層，用很小的電流就能維持壹定的位置。
SPR人工肌肉材料屬於電子EAP類型。它的成功發展經歷了漫長而曲折的道路，多少有些偶然性，堪稱異想天開的技術創新的經典範例。
給橡皮充電
SRI團隊的負責人羅恩·珀林(Ron Pelrine)說:“在與日本簽訂了日本微型機器計劃合同後，斯坦福研究所從1992開始研究人造肌肉。”他過去是物理學家，但現在是機械工程師。日本官員正在尋找壹種新的微驅動器技術。幾位SRI的研究人員開始尋找壹種在力學、沖程(線性位移)和應變(單位長度或單位面積的位移)方面與天然肌肉具有相似特性的致動材料。
“我們看了很多有前景的激活技術，”Pelrine回憶道。然而，他們最終選擇了電致伸縮聚合物，這正是羅格斯大學的Jerry Scheinbeim當時正在研究的。這種聚合物中的碳氫化合物分子排列成半晶格，這種晶體陣列具有類似壓電的特性。
當處於電場中時，所有絕緣塑料(如聚氨酯)都會在電力線方向收縮，在垂直於電力線的方向膨脹。這種現象不同於電致伸縮，稱為麥克斯韋應力。Pelrine說:“這種現象早已為人所知，但壹直被認為是壹種非常麻煩的效應。”
他意識到比聚氨酯更軟的聚合物在靜電引力下更容易擠壓，因此它們可以提供更大的機械應變。通過測試軟矽膠，SRI的科學家很快證明了它的應變在10到15%之間，非常令人滿意。經過進壹步研究，這個數字可以提高到20 ~ 30%。為了區分這種新的致動器材料，矽樹脂和其他更軟的材料被命名為電絕緣彈性體(也稱為電場激活聚合物)。)
在確定了幾種有前途的聚合物材料後，該團隊專註於為1990的其余大部分開發特定設備應用的具體細節。當時，SRI研究小組的新外部資金支持和研究方向由高級研究計劃局(DARPA)和美國國防部海軍研究辦公室提供，其主管的主要興趣是將該技術用於軍事目的，包括小型偵察機器人和光發生器。
隨著橡膠開始表現出更大的張力，工程師們意識到電極也必須是可膨脹的。普通金屬電極除非分體，否則無法延伸。Pelrine提到:“起初，人們不必擔心這個問題，因為他們研究的材料提供的應變只有大約1%。”最後，研究小組開發了壹種基於在橡膠基質中填充碳顆粒的柔性電極。他指出:“由於電極和塑料壹起膨脹，它們可以在整個活動區域之間保持壹個電場。”SRI為這個概念申請了專利，這是後來人工肌肉技術的關鍵之壹。
Pelrine急著給我們看，他拿出了壹個15 cm見方的看起來像相框的東西，兩邊的塑料夾子因為膨脹而緊繃。“看，這種聚合物材料很有延展性，”他說，並把壹個手指按進它的透明膜裏。“其實就是壹種雙面膠，壹大卷的價格很便宜。”中間夾子的兩側是黑色和鎳幣大小的電極，電極之間用導線連接。
佩琳擰開電源的控制旋鈕。隨即，黑色圓形電極對開始膨脹，直徑增加了四分之壹。當他把旋鈕轉回到原來的位置時，電極立即收縮到原來的狀態。他咧嘴壹笑，把操作重復了幾遍，解釋道:“基本上，我們的設備就是壹個電容器，也就是兩個平行的充電板，它們之間有電絕緣。當電源接通時，正負電荷分別積聚在相對的電極上。電極板相互吸引，擠壓中間的絕緣聚合物，聚合物的面積就擴大了。”
雖然已經確定了幾種有前途的材料，但在實際設備中實現可接受的性能確實是壹個挑戰。然而，該小組在1999中取得的壹系列突破引起了美國政府和工業界的極大興趣。通過觀察發現，在電活化之前對高分子材料進行預拉伸，其性能會有很大的提高。團隊的另壹名成員、工程師羅伊·科恩布魯(Roy Kornbluh)回憶說:“我們開始註意到有壹個甜蜜點，然後我們可以獲得最佳性能。沒有人知道確切的原因，但預拉伸聚合物可以將擊穿強度(電極之間電流通過的阻力)提高100倍。”通過電激活增加應變的幅度是相似的。雖然原因尚不清楚，但SRI的化學家佩·冰淇認為:“預拉伸可以沿著平面膨脹方向定位分子鏈，材料使其在這個方向上更難。”為了獲得預拉伸效果，SRI的致動器設備采用了外部支撐結構。
第二個關鍵發現得益於研究人員“測試我們知道的每壹種可擴展材料，我們稱之為愛迪生方法，”Pelrine高興地告訴我們。為了找到壹種適合做電燈燈絲的材料，托馬斯·愛迪生對各種材料進行了系統的實驗。)“在我家，為了防止我蹣跚學步的孩子到處拿東西，我們用高分子材料制成的門鎖鎖住冰箱。隨著孩子的長大，我們不再需要鎖任何東西，所以我們把鎖拿走了。由於它是由可延伸的材料制成，我決定測試它的應變性能。令人驚訝的是，它的性能非常出色。”追蹤鎖的來源並分析其構成並不困難。最後，這種神秘的聚合物“竟然是聚丙烯酸橡膠，可以提供很大的應變和能量輸出，線性應變高達380%。”這兩項發展使我們能夠開始將電絕緣橡膠應用於實際的致動器設備。”研究員說。
人造肌肉夢想成真
SRI組的壹般研究方法比較靈活，包括很多設計，甚至不同的聚合物。正如佩冰淇所說:“這是壹件設備，而不是壹塊材料。”根據Pelrine的說法，該團隊能夠用不同的聚合物產生激活效果，包括丙烯酸樹脂和矽樹脂。即使是天然橡膠也能有壹定的效果。比如在外部空間的極端溫度環境下，人工肌肉最好使用矽膠塑料，已經證明這種材料可以在-100攝氏度的真空環境下工作。對於需要更大輸出力的應用，可能需要更多的聚合物材料，或者可以串聯或並聯多個裝置。
SRI的成員馮·古根貝格(Von Guggenberg)估計:“由於電絕緣橡膠可以在庫存中買到，而我們在每個設備中最多只使用幾平方英尺的材料，因此致動器將非常便宜，特別是對於大規模生產來說。”
用於激活電絕緣橡膠執行機構的電壓相對較高，通常為1至5 kV，因此該裝置可以在非常低的電流下工作(壹般來說，高電壓意味著低電流)。致動器還可以使用更細且更便宜的導線，並且可以保持相對較冷。Pelrine說:“當電場停止，電流流過縫隙時，更高的電壓會產生更大的膨脹和應力。”
科恩布魯評論道:“高電壓是個問題，但不壹定危險。畢竟熒光燈和陰極射線管都是高壓器件，但是沒人會擔心。更大的問題是移動設備要用高電壓，因為電池通常是低電壓，所以需要額外的變壓器線圈。”此外，在賓夕法尼亞州立大學，張啟明和他的團隊壹直試圖通過將壹些電致伸縮聚合物與其他物質結合形成化合物來降低它們的激活電壓。
當被問及電絕緣橡膠的耐久性時，馮·古根貝格承認需要更多的研究，並證實了壹個“合理的跡象”，即它們應該繼續工作很長時間才能實現商業使用。“比如我們為壹個客戶運行的設備，可以產生5 ~ 10%的應變，循環10萬次。”另壹種設備可以產生50%的面積應變，循環次數為1萬次。
盡管人造肌肉設備比相應的電動馬達輕得多(聚合物本身的密度與水相近)，SRI仍在努力通過減少必要的外部預應變設備來減輕其質量。例如，Pei正在試驗用化學方法來消除使用相對較重的框架的需要。
產品的商業化
在開發出基本原理後，SRI研究團隊立即繼續研究壹系列應用概念:
線性執行器(線性執行器)。為了制造他們所謂的彈簧卷，工程師們在螺旋彈簧周圍包裹了幾層預應變的層狀電絕緣橡膠片。拉伸彈簧支持周向預應變，而橡膠膜的縱向預應變使彈簧保持壓縮狀態[參見第48頁的圖示]。通電使橡膠膜厚度在縱向上同時壓縮和松弛，設備伸長。因此，彈簧鼓可以在壓縮包中產生強大的力和大的行程。科恩布魯報道稱，汽車制造商對該設備表現出了興趣，希望用它來取代汽車中的許多小型電動機，例如，在電動座椅位置控制和高效靜音發動機的閥門控制方面。
彎曲輥。使用相同的基本彈簧鼓，工程師可以連接電極，制造兩個或更多不同的部件，圍繞鼓圓周獨立工作。壹個部件的電激活可以拉長氣缸的壹側，這樣整個氣缸就向另壹側彎曲[參見第48頁的圖示]。基於這種設計的裝置可以完成許多傳統電機、齒輪和聯動裝置無法完成的復雜動作。它可能的用途包括可操縱的醫療導管和所謂的蛇形機器人。
推拉致動器。成組的電絕緣橡膠隔膜對或彈簧氣缸對可以排列成“推拉”結構，這樣它們可以相互作用，從而以更線性的方式響應(壹個輸入產生壹個輸出)。從壹個器件到另壹個器件的穿梭電壓可以來回改變整個器件組的位置；同時激活兩個設備可以將設備組固定在中間點。這樣，致動器可以像控制人類手臂運動的肱二頭肌和肱三頭肌壹樣工作。
揚聲器。在帶有開口的框架上拉伸電絕緣膜。振膜根據施加的電信號快速膨脹或收縮，因此可以發出聲音。這種配置可以制成輕便廉價的揚聲器，其振動介質包括驅動器和聲音面板。當前設計在中頻和高頻範圍內表現出高性能。然而，這種揚聲器配置並沒有作為低音揚聲器進行優化，盡管它在低頻範圍內也能很好地工作[參見第49頁的圖示]。
泵(Pumps)電絕緣橡膠隔膜泵的設計類似於低頻揚聲器，工程師只是增加了壹個流體腔和兩個單向止回閥來控制液體的流動。人造肌肉非常適合為微流體泵提供動力，例如，在醫學和工業高度重視的芯片實驗室設備中。
傳感器。就其性質而言，所有SRI電絕緣橡膠設備在彎曲或拉伸時都會出現電容變化。因此，有可能制造壹種順從的並且在低壓下工作的傳感器。Kornbluh表示，SRI團隊正在與壹家汽車制造商談判，使用這種傳感器來測量安全帶的張力。他說，該傳感器還可以用於測量織物或其他材料的張力，如光纖、皮帶或衣服。
表面特征和智能表面。如果用電極圖案壓印聚合物，可以根據需要在表面雕刻出各種形狀。這項技術可以用於主動偽裝織物，可以根據需要改變反射率，或者作為制造“拉條”的設備，以改善機翼表面的氣動阻力特性[見第50頁的插圖]。
發電機。因為這種材料可以充當軟電容器，所以可以用來制造容量可變的發電機和能量采集器。DARPA和美國軍方投資開發了壹種“鞋跟”發電機，這是壹種便攜式能源，士兵或其他戰地人員可以用它代替電池為電氣設備提供電力。使用這種仍處於開發階段的設備[見本頁圖片]，壹個普通人每秒可以走壹步，產生大約1瓦的功率。馮·古根-伯格說，這個概念已經引起了鞋類公司的興趣。同樣，這種裝置也可以安裝在背包帶上或汽車懸掛裝置上。原則上，這種方法也可以應用於波浪發電機和風力發電設備。
SRI的研究人員最近測試了壹個更激進的概念“聚合物發動機”。丙烷燃料在燃燒室中燃燒，燃燒產物產生的壓力會使電絕緣橡膠隔膜變形，從而產生電能。這種設計最終可能會導致厘米或更小規模的高效微型發電機的出現。
但是，真正適銷對路的產品出現還需要時間。馮·古根貝格(Von Guggenberg)指出:“目前，我們正在制造所有交鑰匙設備，這些設備可以交給工程師，以便他們研究它們，接受並欣賞這項技術。我希望在未來，所有的工程師在設計新產品時都能考慮這項技術。”
Bar-Cohen表示，SRI在致動器技術方面取得的進步給他留下了深刻的印象。但成功也帶來壹些問題:掰手腕比賽。他開玩笑地說:“我曾希望在20年左右的時間裏，有人能研制出能與人類手臂相媲美的機械臂。”現在SRI說他們要造壹個，我們還沒提高獎金呢！"