研究人员创造了强大的单极碳纳米管肌肉

15 年来，德克萨斯大学达拉斯分校的研究人员及其在、澳大利亚、韩国和的合作者通过加捻和卷绕碳纳米管或聚合物纱线制造了人造肌肉。当受到热力驱动时，这些肌肉在受热时通过收缩长度而在冷却时恢复到初始长度来驱动。然而，这种热驱动的人造肌肉具有局限性。

电化学驱动的碳纳米管 (CNT) 肌肉提供了一种替代方法，可以满足对快速、强大、大行程人造肌肉日益增长的需求，这些肌肉的应用范围从机器人和心脏泵到变形服装。

“电化学驱动的肌肉特别有前途，因为它们的能量转换效率不受热力肌肉的热力学热机极限的限制，并且它们可以在支持重负荷的同时保持较大的收缩行程，而不会消耗大量能量，”Ray Baughman 博士说。 Robert A. Welch 特聘化学主席，德克萨斯大学达拉斯分校 Alan G. MacDiarmid 纳米技术研究所所长。“相比之下，即使不完成机械工作，人体肌肉和热动力肌肉也需要大量输入能量来支撑重负荷。”

在 1 月 28 日在线发表在《科学》杂志上的一项研究中，研究人员描述了创造强大的单极电化学纱线肌肉，当驱动速度更快时收缩更多，从而解决了限制这些肌肉应用的重要问题。

电化学驱动的碳纳米管纱线肌肉通过在肌肉和反电极之间施加电压来驱动，反电极将离子从周围的电解质驱动到肌肉中。

但是电化学 CNT 肌肉存在局限性。首先，肌肉驱动是双极的，这意味着肌肉运动——扩张或收缩——在电位扫描期间切换方向。行程切换方向的电位是零电荷电位，电位随时间变化的速率是电位扫描速率。

另一个问题：给定的电解质仅在特定的电压范围内稳定。在此范围之外，电解液分解。

“以前的纱线肌肉不能使用电解质的全部稳定性范围，”该研究的通讯作者鲍曼说。“此外，肌肉的电容——它存储驱动所需电荷的能力——随着潜在扫描速率的增加而降低，导致肌肉的中风随着驱动速率的增加而急剧减少。”

为了解决这些问题，研究人员发现卷曲碳纳米管纱线的内表面可以涂上合适的离子导电聚合物，该聚合物含有带正电或带负电的化学基团。

“这种聚合物涂层将碳纳米管纱线的正常双极驱动转换为单极驱动，其中肌肉在电解质的整个稳定性范围内向一个方向驱动，”鲍曼说。“这种长期寻求的行为具有令人惊讶的后果，使电化学碳纳米管肌肉更快、更强大。”

该研究的共同第一作者、化学博士生王忠解释了基础科学：“聚合物的偶极场将零电荷的电位——纳米管上的电荷改变符号的地方——转移到电解质的外部。稳定范围。因此，只有一种符号的离子被电化学注入以补偿这种电荷，并且肌肉的行程在整个可用电位扫描范围内沿一个方向变化。”

UT达拉斯纳米技术研究所副研究教授、共同第一作者Jiuke Mu博士表示，聚合物涂层有助于解决电化学纱线肌肉的电容问题。

“每个离子泵入肌肉的溶剂分子数量随着某些单极肌肉的潜在扫描速率的增加而增加，这增加了驱动驱动的有效离子大小，”穆说。“因此，随着潜在扫描速率的增加，肌肉中风可以增加 3.8 倍，而没有聚合物涂层的碳纳米管纱线肌肉的中风在潜在扫描速率相同的变化下减少 4.2 倍。”

这些进步提供了电化学单极肌肉，收缩以产生每块肌肉重量的最大平均输出机械功率为 2.9 瓦/克，大约是人类肌肉典型能力的 10 倍，是涡轮增压 V 的重量归一化功率能力的 2.2 倍-8 柴油发动机。

用于产生这些结果的聚合物涂层是聚(4-苯乙烯磺酸钠)，它被批准用于 药物用途并且足够便宜，可用于软化水。这种聚合物客体的结合使得碳纳米管肌肉能够从高温到负 30 摄氏度以下进行实际操作。

王说，该团队还发现，当使用德克萨斯大学达拉斯分校的研究人员创造并获得专利的双卷曲工艺将氧化石墨烯纳米片结合到纱线肌肉中时，可以获得单极行为，而无需扫描速率增强的笔画。

“使用这个客体提供单极行为所需的偶极场，将肌肉的最大平均收缩机械功率输出增加到了惊人的 8.2 瓦/克，是相同重量人类肌肉最大能力的 29 倍和约 6.2 倍涡轮增压 V-8 柴油发动机，”王说。

“我们还发现，两种不同类型的单极纱线肌肉，每一种都具有增强的扫描速度，可以组合成双电极、全固态纱线肌肉，从而消除对液体电解质浴的需要， ”王说。“固态电解质用于横向互连两个线圈的碳纳米管含有不同聚合物客体的纱线，一种具有带负电荷的取代基，另一种具有带正电荷的取代基。由于分别注入了正离子和负离子，两种纱线在充电过程中都会收缩，从而对驱动产生额外的贡献。这些双电极单极肌肉被编织成可用于变形衣服的致动纺织品。”

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