人造肌肉新突破！顛覆想象的軟體機器人！人造肌肉結合機械骨骼！

想必各位應該都看過漫威系列電影 裏面美國隊長這個角色呢更是深入人心 他通過注射超級士兵血清 擁有了遠超常人的力量和恢復力 雖然說現實當中呢並不存在這種藥物 但是卻有着與之類似的生物科技 那就是人造肌肉 比之人類肌肉要強100倍 今天呢大兵就和各位聊聊這項技術 現今呢隨着各國科技的高速發展 以及新軍事變革的持續推進 單兵作戰正在變得愈發困難 主要面臨的困境呢有以下四點 其一呢 隨着各國對單兵作戰能力要求的提高 嚴重增加了單兵的負擔 其二機動性較弱 而且戰場生存能力要求變高 其三由於多環境作戰的需求 極大的提升了對單兵體能 和適應能力的要求 最後則是對強險救災等 非戰爭軍事行動的考驗 而機械外骨骼的出現呢 則是能完美解決這些問題 該裝備作爲一種單兵輔助裝置 可以有效的傳導並放大作戰人員的 肢體動感 不僅能夠增強單兵的負重能力 還能保持單兵行動的靈活性 就算是揹負大型機具 單兵數字化系統 以及超量武器彈藥的士兵 也能擁有和普通士兵相同 或者更高的機動能力 從而使得單兵作戰能力有了質的提升 但是想要完美達成以上效果 還有幾個問題要解決 現今的機械外骨骼的驅動系統 大致可以分爲三類 也就是電機驅動 液壓驅動 以及氣壓驅動 但是如果結合機械外骨骼的 實際使用要求的話 三種驅動都存在着相應的缺陷 也就導致着機械外骨骼的應用面臨困境 首先呢 是電機驅動的動態平衡特性差 而且慣性大 質量大 幻象慢 而液壓驅動呢 則是由液壓液體很容易泄露 並且能源使用效率低 工作噪聲較大 傳動速度低 至於氣壓驅動 其氣動裝置的傳動速度非常不穩定 而且信號傳遞的速度較慢 控制性較差 不能應用於大功率系統 以上缺點極大的制約了外骨骼 在單兵領域更廣泛的應用 並且增加了士兵的體能消耗 所以必須研究出在減小人體自身消耗 以及外部能源消耗的前提下 進一步提升機械外骨骼性能的方法 另外現今外骨骼的控制方式 還存在着一個共性問題 那就是存在着滯後性 簡單來說呢 就算外骨骼的控制方式 大多數都是使用者做出的動作 改變控制條件 最終達到外骨骼執行機構 跟隨人體動作 這便導致了外骨骼 總是慢於使用者的動作 使用者拖着外骨骼的動作 進一步增加了人體自身的消耗 所以爲了解決以上問題 各國科研人員 便把目光放在了人造肌肉領域 在這方面呢 尼龍材料的人造肌肉更具有優勢 相較於現有的外骨骼驅動器 尼龍材料制定的人造肌肉有以下優點 首先呢是穩定的驅動表現 使得人造肌肉 在外骨骼驅動的應用更容易實現 由於尼龍材料在厚度一定 且適宜的環境中 熱驅動能夠使其產生穩定的可控振幅 而且可以保證電壓 和兩側熱功率輸入的恆定 這也使得它在衆多 外骨骼驅動材料中的脫穎而出 其次則是可靠的捕捉狀態 讓人造肌肉 在外骨骼驅動的應用方面更爲可靠 首先是與肌肉組織類似的捕捉狀態 讓外骨骼更加貼合人體 因此更好的協同運動 而且良好的可逆性 能夠在不使用任何位置傳感器的情況下 控制尼龍材料的尖端位置 不需要消耗太多的射擊保證驅動器 以及不會由於本身機械的反應 傷害使用者或者妨礙使用者的行動 相較於碳納米管 活性管和壓電雙晶片等材料 尼龍人造肌肉只需極小的成本 就可以實現這種捕捉狀態 再者就是優秀的力量 位移輸出比 在現實應用中 需要極爲廣泛 因此人造肌肉 通過扭曲纏繞的尼龍細絲 能夠將拉伸硬力提升至49% 並且能夠實現125%的位移長度比 最後則是極長的使用壽命 讓這類人造肌肉更經濟 更便於商業化生產 在10萬個週期內 振幅降低還不到5% 比之其他仿生材料強太多了 所以尼龍人造肌肉 可以重複同一個動作 更適合於單兵外骨骼 現今美國五角大樓 國防高級研究計劃署 已經投資了上千萬美元 讓雷神公司的團隊 研究外骨骼和人造肌肉結合 人造肌肉又名電活性聚合物 屬於一種新型智能高分子材料 它能夠在外加電廠下 通過材料內部結構的改變 而伸縮彎曲豎緊或者膨脹 和生物肌肉十分相似 雖然這項技術的研究 始於上世紀40年代 但真正取得進展 則是最近幾十年的事 原因是因爲近幾年來 特殊聚合體材料和智能材料的誕生 爲人造肌肉的研究 提供了新的發展契機 那些新材料 往往具有一些不同反響的本領 相較於傳統的剛性執行器相比 人造肌肉有着高靈活性 和多功能性的優勢 這也使其成爲了一種重要的新興技術 在本世紀初 當時的科學家們發現 一個剷除的下巴肌肉 能夠產生大於它自身體重700倍的力量 而變色龍捕食的時候 舌頭肌肉收縮時所產生的力量 也是十分驚人的 而當時人類所製造的最好機械設備 也只能產生剷除下巴肌肉約三分之一的力量 對於這種神奇的現象 科學家們通過對剷除和變色龍的解剖 尋找出了相關的信息 他們認爲 剷除下巴的特殊構造 是造成其肌肉產生強大力量的原因之一 這種構造可以在最短的時間內儲存力量 適應肌肉所產生的張力 在剷除大腦的操控下實現肌肉的迅速收縮 從這方面獲得靈感之後 不久便設計出了一種機器機械 這種裝置可以模仿剷除的下巴肌肉 迅速收縮 從而產生強大的能量 這種機器機械就是生物馬達 也就是大兵所說的人造肌肉 隨着對人造肌肉研究的進行 近幾十年來 人造肌肉所用的材料種類也越來越多 有塑料類似橡膠的聚合物 凝膠以及金屬 根據其驅動機制 可以將人造肌肉分爲五大類 即電場驅動 氣動驅動 熱驅動 溶劑吸收驅動以及電化學驅動 全世界所有參與人造肌肉開發的研究所 主要是以美國兩家和瑞士一家爲主 早在2008年3月25號 美國加州大學洛杉磯分校的研究人員 製造出了一種人造肌肉 不僅能夠自我癒合 還能夠儲存電能 給類似於iPod之類的移動設備充電 根據負責該項目的研究人員介紹說 我們已經成功地研製出了人造肌肉 如果你給它充電 它能夠膨脹兩倍以上 通過材料內部結構的改變 而伸縮 彎曲 豎緊或者膨脹 而且它的運動和能量供應情況 和真正的肌肉非常相似 此外 2012年 一種擁有廣泛用途的 革命性超強壯人造肌肉問世 主要是由石蠟填充的 碳納米管纖維製造而成 可以驅動超過自身體重10萬倍的重物 並提供超過天然骨骼肌 85倍以上的肌血功率 除此之外 在2018年5月 美國伊利諾伊大學的研究團隊 還開發出了一種 它能夠提起超過自身重量 1.2萬倍的物體 承重能力是天然肌肉的18倍 據悉 該人造肌肉是根據生物肌肉的 運動原理進行設計的 考慮到了材質和成本等問題 研究人員選擇了碳纖維這種質量輕 自身強韌的材料 而且它成本很低 很容易在市場上買到 另外還在18年有消息傳出 日本東京大學等團隊 開發出了全球首個生物肌肉機器人 附着在樹脂骨骼外的 並不是傳統的凝膠或者氣囊 而是利用小鼠骨骼肌細胞 在培養皿中培養出來的真肌肉組織 該肌肉在電流的刺激下 其單側肌肉能夠進行收縮運動 進而帶動關節進行彎曲 可以勾起一些較輕的物品 不過由於該肌肉涉及到生物組織培養 所以它的造價非常昂貴 並且存在發生肌肉僵直等問題 因此現今還屬於實驗性質 首先就是自由工作更持久 目前的機器人或者機械手臂 由於受到能量的限制 一般只能在電源附近活動 所以美國國防部高級計劃研究署 一直希望能夠開發出 一種能像人類一樣自由活動 並且自身可以供應能量的新型裝置 於是便有了這種超級人造肌肉的模型 根據相關研究人員的介紹 這種人造肌肉的最大好處 就是能量由燃料供應 能夠彌補電池功能的不足 可以工作更長時間 不會因爲電池短命而動不了 也不必要時刻綁個電源在身邊 另外按照研究人員的設想 人造肌肉在開發成功後 能夠完成人類和機器人 獨立無法做到的事情 它不僅能夠像人類一樣到處行動 能像自然手臂一樣靈活 還能綁在機械外骨骼上 使消防員 士兵和宇航員等 特殊行業的人擁有了超人般的力量 有了它 也許消防員隻手就能撐起倒塌的建築材料 戰場上的士兵也能變成不知疲倦的超人 其次就是遠超常人的肌肉強度 爲了實現這項功能 美韓兩國聯手開發了兩種人造肌肉 以適應不同需要 其中一種是把化學能轉爲電能 用含有催化劑的碳納米管彎曲搭建出肌肉塊 超級電容器電極和燃料細胞電極 它們可以在充滿氫的環境中 源源不斷地產生電源 另一種則是把化學能轉化爲熱能 利用氫和乙醇的反應提供能量 配合特製的記憶金屬絲 比如說當時溫度降低時 金屬絲收縮 催化劑減少作用 人造肌肉就會放鬆 這種方法制造出來的人造肌肉力量巨大 舉例是正常骨骼肌肉的10倍以上 最後則是有循環系統和神經 雖然目前看來現有的人造肌肉沒有一點肌肉的樣子 只是一堆電線 懸臂和玻璃瓶 唯一可以區別於機械臂的特點就是 人造肌肉能夠像生物一樣呼吸 吸入氧氣 釋放乙醇和氫 提供能量 但是這已經很不容易了 曾有一名加拿大科研人員指出 事實上 人造肌肉已經成功複製出了很多生物特點 比如說 它有循環系統 氧和燃料可以通過循環系統輸送 爲肌肉本身提供化學反應的場所 然後做出機械動作 它還有神經 都是由特殊電路組成 可以做出反應並且控制自己的行爲 而且它還能儲存能量 並且像人類的肌肉一樣 直接對接觸做出判斷反應 在軍事領域方面 美國陸軍希望通過未來士兵裝備計劃 減輕士兵的戰鬥負荷 麻省理工學院現今正在開發 用於未來士兵裝備的人造肌肉 該肌肉一旦裝入手套制服和軍靴裏 士兵就能擁有超人般的力量 舉重物跳過高牆輕輕鬆鬆 另外利用人造肌肉能夠發電的原理 士兵將不需要自己背發電機了 斯坦福研究人員正在開發一種腳後跟發電機 也就是將人造肌肉安裝在軍靴的鞋跟上 通過步行 跑步等運動就能使其發電 該研究院宣稱 利用這一設備 一名普通士兵每邁出一步 就能產生一瓦特的功率 把這種電能儲存起來 隨時可以給便攜式電話等電氣充電 非常適合在野外行動的士兵 還有就是軍用車輛方面 凡是使用到小型電動引擎的人造肌肉 都有用武之地 如果將這些裝置都改用人造肌肉做驅動力 不僅能夠增強耐磨性 還能極大的提高發動機的功率 此外 人造肌肉除了可以模擬人類肌肉外 還擁有非常好的抗輻射特點 所以這種材料一旦被應用到機器人身上 便能夠更好的完成各項任務 這種人造肌肉能夠承受的輻射極限 和火星上的輻射相當 是人類所能承受輻射的20倍 而且人造肌肉在零下271 和零上135攝氏度的條件下 也能很好的工作 而在科學研究方面 作爲生物型機器人嘗試 日本大阪的伊美克斯公司 曾利用人造肌肉製造出了一種 可以亂蒸的機器魚 長度在6.7釐米 在水中游動的姿態和蒸魚沒什麼差別 更難得的是 它的耐力可以保持半年的時間 其內部機不僅沒有裝馬達 機軸 齒輪等機械裝置 也沒有電池 完全是靠伸縮自如的高分子材料 自行驅動 總結來說 人造肌肉技術 無論是在民用還是軍用領域 都能發揮出無可估量的作用 相信在不久的未來 我們說不定能看到 集團軍模式的美國隊長