达拉斯德克萨斯大学 在1月1日发布在网上的一项研究中
在《科学》杂志上，达拉斯德克萨斯大学的研究人员和他们的同事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
这张扫描电子显微镜图像显示了一个由碳纳米管制成并涂有聚(4-苯乙烯磺酸钠)的螺旋状单极肌肉
外部线圈直径约为140微米，约为人发的两倍
学分:达拉斯德克萨斯大学 15年多来，达拉斯德克萨斯大学的研究人员和他们在美国的合作者
S
澳大利亚、韩国和中国已经通过缠绕碳纳米管或聚合物纱线来制造人造肌肉
当热驱动时，这些肌肉通过在加热时收缩其长度并在冷却时恢复其初始长度来驱动
然而，这种热驱动人造肌肉有局限性
电化学驱动的碳纳米管(碳纳米管)肌肉提供了一种替代方法，以满足从机器人和心脏泵到变形服装等应用对快速、强大、大行程人工肌肉的日益增长的需求
“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肌肉热力学热机极限的限制，它们可以在支撑重负荷的同时保持大的收缩冲程，而不会消耗大量能量，”Dr
罗伯特·阿·雷博曼
韦尔奇杰出的化学讲座教授和艾伦·G
德克萨斯大学达拉斯分校麦克迪尔米德纳米技术研究所
“相比之下，人体肌肉和热能驱动的肌肉需要大量的输入能量来支撑重负荷，即使在没有完成机械工作的情况下也是如此
" 在1月1日发布在网上的一项研究中
28在《科学》杂志上，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，这些肌肉收缩更多，从而解决了限制这些肌肉应用的重要问题
电化学供电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
但是电化学碳纳米管肌肉有局限性
首先，肌肉驱动是双极性的，这意味着肌肉运动——扩张或收缩——在潜在的扫描过程中改变方向
冲程转换方向的电势是零电荷电势，电势随时间变化的速率是电势扫描速率
另一个问题:给定的电解质只有在特定的电压范围内才是稳定的
在这个范围之外，电解质就会分解
“以前的纱线肌肉不能利用电解质的全部稳定性范围，”该项研究的相应作者博格曼说
“此外，肌肉的电容——其储存驱动所需电荷的能力——随着潜在扫描速率的增加而降低，导致肌肉的行程随着驱动速率的增加而显著减少
" 为了解决这些问题，研究人员发现盘绕的碳纳米管纱线的内表面可以涂有合适的离子导电聚合物，该聚合物包含带正电荷或负电荷的化学基团
“这种聚合物涂层将碳纳米管纱线的正常双极驱动转化为单极驱动，在电解质的整个稳定范围内，肌肉向一个方向驱动，”博格曼说
“这种长期寻求的行为产生了令人惊讶的后果，使电化学碳纳米管肌肉变得更快、更强大
" 化学博士生王钟是这项研究的第一作者之一，他解释了背后的科学原理:“聚合物的偶极场将零电荷的电势转移到电解质的稳定范围之外，零电荷是钠原子上的电荷改变符号的地方
因此，只有一个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势扫描范围内沿一个方向变化
" 医生
德州大学达拉斯纳米技术研究所的副教授、第一作者之一九克·穆说，聚合物涂层有助于解决电化学纱线肌肉的电容问题
“对于某些单极肌肉，每种离子泵入肌肉的溶剂分子数量随着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尺寸，”穆说
“因此，肌肉中风可以增加3倍
8，而没有聚合物涂层的碳纳米管纱线肌肉的冲程减少了4倍
2对于潜在扫描速率的相同变化
" 这些进展提供了电化学单极肌肉，收缩产生最大平均输出机械功率每肌肉重量2
9瓦/克，大约是人体肌肉的10倍，大约是2
重量标准化功率是涡轮增压V8柴油发动机的2倍
用于产生这些结果的聚合物涂层是聚(4-苯乙烯磺酸钠)，其被批准用于药物，并且足够便宜以用于水软化
这种聚合物客体的引入使得碳纳米管肌肉从高温到零下30摄氏度的实际操作成为可能
王说，研究小组还发现，当氧化石墨烯纳米片通过德州大学达拉斯分校的研究人员创造并获得专利的双辊轧制工艺结合到纱线肌肉中时，可以获得单极行为，而不会增强扫描速率
“利用这种客体来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提高到显著的8
2瓦/克，是同等重量人体肌肉最大能力的29倍，约为6
是涡轮增压V-8柴油机的2倍，”王说
“我们还发现，两种不同类型的单极纱线肌肉，每种都具有扫描速率增强的冲程，可以组合成双电极、全固态纱线肌肉，从而消除了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包含不同聚合物客体的盘绕碳纳米管纱线，一个具有带负电荷的取代基，另一个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作用
这些双电极单极肌肉被编织成可用于服装变形的驱动织物
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