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  1月29日，哈爾濱工業大學與美國德克薩斯大學達拉斯分校、江蘇大學、韓國漢陽大學、澳大利亞臥龍崗大學等單位合作，首次發現通過聚電解質功能化的策略，可實現人工肌肉智能材料的“雙極”（Bipolar）驅動轉變為“單極”（Unipolar）驅動，同時發現了人工肌肉隨電容降低，驅動性能增強的反常現象（Scan Rate Enhanced Stroke, SRES），這一重要突破解決了人工肌肉驅動性能的電容依賴性問題，為后續設計具有無毒、低驅動電壓的高性能驅動器提供新的理論基礎。研究成果以“單極沖程、電滲泵碳納米管紗線肌肉”（Unipolar-Stroke, Electroosmotic-Pump Carbon Nanotube Yarn Muscles）為題，在線發表于著名學術期刊《科學》（Science）上，哈爾濱工業大學為共同通訊作者和共同第一作者單位，其中冷勁松教授為共同通訊作者（江蘇大學丁建寧、哈爾濱工業大學冷勁松、美國德克薩斯大學達拉斯分校Ray H. Baughman），其博士畢業生楚合濤為共同第一作者（楚合濤、胡興好、王鍾、穆九科）。2014至2016年，楚合濤在德克薩斯大學達拉斯分校進行博士生聯合培養，自2014年起，冷勁松教授課題組與德克薩斯大學達拉斯分校Ray H. Baughman教授課題組開始該項工作研究，并取得了關鍵性突破。

  目前，新材料正由輕質、多功能化向智能化方向發展。智能材料（Smart Materials）是指一類可以在外界激勵下做出主動響應的新材料，具有自驅動、自監測、自修復等多種功能，在人工智能、智能制造、生物醫療、機器人等領域具有廣泛的應用前景。聚合物纖維與碳納米管紗線人工肌肉是一種典型的智能材料，主要通過熱、電化學兩種方式實現驅動。由熱力學定律可知，熱驅動受到卡諾循環效率的限制，從而影響了其應用潛力。相比而言，電化學驅動克服了卡諾循環效率限制的問題，能量轉換效率更高，具有更廣闊的應用前景。

  傳統的電化學碳納米管紗線人工肌肉（以下稱：人工肌肉）存在以下局限性：（1）陰陽離子的嵌入、嵌出過程使得驅動應變與掃描電壓之間呈現出“雙極”效應，這意味著在電化學窗口內，纖維尺寸不是單調性變化，反向離子的嵌入、嵌出抵消了驅動應變，從而降低了人工肌肉的驅動性能；（2）人工肌肉的性能完全依賴于工作電極的電容特性，即隨著掃描速率的增加，性能急劇降低。因此，傳統的人工肌肉只能產生單向驅動，而且需在極低的掃描速率下工作。

  針對以上問題，本研究通過聚電解質（零點電位移動試劑）功能化的策略，改變人工肌肉的零點電位：（1）實現了單一離子嵌入、嵌出的“單極”效應，解決了“雙極”效應反向離子的嵌入、嵌出引起的性能降低問題，提高了做功效率與能量密度等性能；（2）人工肌肉隨掃描速率增加，驅動性能增加，實現了SRES效應，解決了傳統人工肌肉驅動性能的電容依賴性問題。進一步研究發現，SRES效應是因水合離子在高掃描速率或脈沖頻率下可帶動周圍的水分子，從而增大了離子的有效尺寸，提高人工肌肉性能。

  相比于傳統人工肌肉，該人工肌肉具有無毒、驅動頻率高（高達10 Hz）、驅動電壓低（1 V）、高比能量（0.73~3.5 J/g），高驅動應變（3.85~18.6 %）以及高能量密度（高達8.17 W/g）等特性，在空間展開結構、仿生撲翼飛行器、可變形飛行器、水下機器人、柔性機器人、可穿戴外骨骼、醫療機器人等領域具有巨大的應用潛力。

人工肌肉類型以及“單極”、“雙極”驅動特征對比

  在杜善義院士、韓杰才院士的帶領下，哈爾濱工業大學復合材料與結構研究所于20世紀90年代初在國內較早地確立了智能材料與結構的研究方向。在“崇德廣業，窮理致用”發展理念的指導下，冷勁松教授課題組長期從事智能材料結構力學及應用研究，主要研究方向包括形狀記憶聚合物及其復合材料結構、人工肌肉、多功能納米復合材料結構、空間可展開結構、可變形飛行器、柔性機器人、4D打印技術及生物醫療器件、結構健康監測、振動主動控制等。

  文章鏈接：https://science.sciencemag.org/content/371/6528/494