Science：特殊碳纳米材料可制成人造肌肉

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科学家近日发现一种具有大象鼻子中肌肉般旋转韧性的特殊碳纳米管材料，这一发明有望在未来帮助解决纳米机器人驱动的难题。澳大利亚卧龙岗大学智能聚合材料研究院的杰夫·斯宾克斯(Geoff Spinks)教授和同事们在近日出版的一期《科学》杂志上报告了他们的这项成果。

斯宾克斯教授说：“我们偶然间发现一种材料，当向其施加一定的电压时，会产生旋转运动。通过研究，我们发现它的性能特征在自然界中存在一些类似物，如大象的鼻子，蜥蜴的舌头，甚至细菌的鞭毛。”

大约5年前，美国德州大学纳米技术研究院的科学家们开始尝试使用碳纳米管(CNTs)制造所谓的“导电性智能纺织物”。碳纳米管是一种碳原子构成的中空管状物。斯宾克斯说：“他们试图研制一种多功能纺织物，这种纺织物可以充当电池，充当天线，甚至可以具备防弹功能。”

科学小组成员贾瓦德·弗罗基(Javad Foroughi)当时正在用一小段碳纳米纤维进行实验，他突然发现当这种材料浸没于电解质中时，如果对其施加一个电压，材料会发生旋转。而如果将电压反转，材料的旋转方向也会跟着反转。

自然界中的螺旋形肌肉组织，如章鱼的触手，内部都拥有一套螺旋形缠绕的纤维组织，它们可以围绕一个位于中央部位不可压缩的轴心进行压缩并以此实现旋转动作。相比之下，这种螺旋形碳纳米纤维的旋转动作则是由于当施加电压场时，材料会吸收更多电解质，因此产生了一种推动力。

尽管也有其它材料显示出类似的特性，但是这种碳纳米管材料是到目前为止发现的旋转效应最明显的一种。这种“碳纳米管纱线”每分钟可以转动600圈，平均每厘米材料的旋转性能要比其它材料高出1000倍。斯宾克斯说：“你所用材料的螺旋线长度越长，旋转的次数也就会越多。”

广泛的应用前景

在他们的论文中，斯宾克斯和他的同事们展示了如何将这种材料制成一种微型毫米级桨叶式搅拌机，可用于进行液体的搅拌混合。除此之外，研究小组还希望这一技术将造福其它微型机械设计。他说：“总的来说，在任何需要在有限的狭小空间内进行机械作业的地方，他都将有用武之地。因为要采用传统工艺制作那么小的马达是很困难的。”他还认为这种技术可以被应用于消费电子产品设计中，如用来制作手机的变焦镜头。

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但是研究人员表示，这种技术或许还有更加重要的用途，那就是发展纳米机器人技术，用于帮助体内给药，去除寄生虫，以及对抗癌症。在现阶段，开发纳米机器人的最大障碍在于如何实现让机器人在人体血液内驱动的问题。斯宾克斯表示这种新型肌肉组织材料将帮助解决这一重要难题：它可以模拟细菌使用其后部鞭毛推进的方式实现纳米机器人在人体血液中的驱动。

目前，科学家们正在研究如何利用相关材料帮助进行复杂的人工耳蜗植入手术。这种精密的装置必须被安装在一个非常狭小的空间内，其中涉及许多精密脆弱的瓣膜结构。斯宾克斯表示他们小组的长期研究目标是开发一种特殊的“可穿着装置”，来帮助人体运动。他们同时还在开发一种独特的“袖管”，它可以帮助人体运动，或者帮人体按摩。

而对于公众普遍关心的安全问题，斯宾克斯教授说：这个问题暂时还未纳入考虑范围。他说：“当然我们还有很多工作要去做，就像其它许多化学产品一样，我们还需要大量的工作才能确定这种材料是否是安全的，或者在何种情况下是安全的。”

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Torsional Carbon Nanotube Artificial Muscles

Javad Foroughi, Geoffrey M. Spinks, Gordon G. Wallace, Jiyoung Oh, Mikhail E. Kozlov, Shaoli Fang, Tissaphern Mirfakhrai, John D. W. Madden, Min Kyoon Shin, Seon Jeong Kim, Ray H. Baughman

Actuator materials producing rotation are rare and demonstrated rotations are small, though rotary systems like electric motors, pumps, turbines and compressors are widely needed and utilized. Present motors can be rather complex and, therefore, difficult to miniaturize. We show that a short electrolyte-filled twist spun carbon nanotube yarn, which is much thinner than a human hair, functions as a torsional artificial muscle in a simple three-electrode electrochemical system, providing a reversible 15,000° rotation and 590 revolutions/minute. A hydrostatic actuation mechanism, like for nature’s muscular hydrostats, explains the simultaneous occurrence of lengthwise contraction and torsional rotation during the yarn volume increase caused by electrochemical double-layer charge injection. Use of a torsional yarn muscle as a mixer for a fluidic chip is demonstrated.

hhwang

碳纳米管是很有前途的新型材料