人类与机器人之间的竞赛总是能够吸引世人的关注，在最近象棋界的人机大战中，机器人大胜就成为人们议论的焦点。除了在智力方面与人类展开竞赛外，科学家们还谋划着让机器人在力量上与人类抗衡，希望机器人能够在智力与体力方面取得全面进步。

　　

科恩是美国宇航局飞机动力实验室的物理学家，他每年都会组织一次人与机器人之间的掰手腕比赛。在人们的印象中，机器人力大无比，可以扳起大石头甚至能够压碎钢铁，当然不难在与人类的掰手腕比赛中占上风。但事实却不是这样，到目前为止，机器人还从未赢过掰手腕比赛，在最近举行的一次比赛中，三个机器人连续败在了一个17岁的弱女子手下。



比赛的组织者科恩对机器人在比赛中的可怜表现并不吃惊，他说，参加比赛的机器人手臂用的是人造肌肉，而人造肌肉在模仿人类肌肉的活动平衡性方面还处在技术起步阶段，这些手臂虽然看起来跟人类肌肉很像，但内在的工作机理却是完全不同的。



虽然机器人在比赛中的表现不是很好，但比赛能够引起更多投资者和研究人员对人造肌肉的兴趣，并推动人造肌肉的技术进步。科恩计划将人机掰手腕的比赛每年进行下去，直到运用合成肌肉做成的机器人战胜掰手腕的世界级冠军。



人造肌肉研究的难题



科学家对人造肌肉的研究已经进行了几十年，人造肌肉所用的材料种类也很多，有塑料、类似橡胶的聚合物、凝胶以及金属，这些材料做成的人造肌肉能像人类肌肉纤维一样收缩和伸展，并改变胳膊长短。利用人造肌肉收缩和伸展的特性，一旦提供足够的能量，用这些肌肉作成的装置就能够完成跳跃、爬山甚至长途旅行等活动，从而能够做成更像人类的机器人、更轻便灵巧的人造假肢以及塑料心脏或心脏隔膜等与人类器官收缩一致的人造器官。科学家还希望将这些人造肌肉材料用在其他方面，比如用来制作微型阀门、柔软的扬声器以及可触摸界面如显示屏。



虽然人造肌肉具有如此广阔的前景，但真正应用起来还需要克服很多研究难题，其中最大的难题是：如何让人造肌肉力量强大又不会消耗大量能量、不需佩带笨重的电池、不需经常修补。科学家现在的研究方向似乎可以解决目前的问题：他们受到人类肌肉作用原理的启发，而人类肌肉通过血液循环就可不断获得能量，在这样的启发下，利用液体电池充当发动机，可以更像人类肌肉并且能够通过液体电池的循环维持能量的持续供应。



科学家的另外一个灵感来自于X射线的发明。X射线的发明者在1880年发现，将橡胶带放在电场中，橡胶带的长度能够发生轻微的改变。几十年来，许多研究人员研究了不同的电场供应和在电场中不同材料的表现，发现了许多先进的材料，这些材料能够产生足够大的动力和力量，目前全世界有几十家研究室和公司在从事人造肌肉的研究，有的已经在检测用这些人造肌肉组装而成的各种装置的性能。



要想人造肌肉与人类肌肉尽可能的相似，首先要了解人类肌肉的优势。人类肌肉通常比较轻便，能够对大脑发出的信号和指令作出快速反应；它们的长度改变幅度能够达到20%%，能够根据所承载的重量大小调整自己的坚硬程度；人一生中其肌肉通常要伸缩几十亿次之多，而且由于人类肌肉具有再生能力，伸缩次数如此多也不会坏；人类肌肉能够将体内的化学能量转换成机械能，且转换效率远远超过内燃机的功率。



目前，人造肌肉往往只能在上面几个优势中的一两个方面接近人类肌肉，有些已经可以在反应速度方面比人类肌肉快很多倍。但是，人造肌肉却没有再生或自我修复能力，因而最多只能伸缩几千次，之后就会丧失伸缩能力。



人造肌肉取得突破



针对人造肌肉没有能力自我修复，科学家也在积极寻找对策。在这方面，美国德州大学纳米技术研究院的教授雷•鲍夫曼的研究处于领先地位。雷•鲍夫曼的研究思路是，利用电池或电源线为人造肌肉提供生命能量，其中像柴油等化学燃料储存的能量最多，相当于电池能量的10到100倍，但是如果能像人类肌肉通过食物供应获得再生能力一样，人造肌肉能够利用自我供电的方式获得能量，人造肌肉就会迈出伟大的一步。



鲍夫曼教授想到了自己比较熟悉的碳纳米管。美国国防部为了获得在危险情况下代替人类执行任务的机器人，必须想方设法让这些机器人装载的电池能够维持几天的运转，并将这一难题交给了鲍夫曼教授来攻关。



1999年，鲍夫曼小组利用几层碳纳米管研制成人造肌肉，由于碳纳米管能够容纳大量的电荷，向这些层状碳纳米管中施加一定的电压后，这些人造肌肉能够收缩。紧接着，鲍夫曼将层状碳纳米管与燃料电池相连，这些燃料电池能够将化学能转化成电能。他将3厘米宽的纳米肌肉带作为电极放在一封闭的硫酸容器中，用泵将空气中的氧气抽入硫酸容器中，氧气与硫酸中的氢离子结合生成水，在这一化学反应的过程中不断消耗电子，这些电子由层状碳纳米管提供。由于提供电子，碳纳米管就会因带正电荷越来越多而不断收缩变短；一旦将这些层状碳纳米管与带负电荷的阴极相连，碳纳米管会重新获得电子，正电荷越来越少，从而伸展到以前的长度。



由于鲍夫曼教授的碳纳米管肌肉是依靠化学反应获得动力的，科学家评价这一成果是人造肌肉研究过程中重要的进步。以前的人造肌肉都是与供应能量的装置分离的，而碳纳米管作成的人造肌肉与供应能量的电池连成一体，这样又向人类肌肉更接近了一步。



但是碳纳米肌肉有一个很大的局限，虽然能够产生的力量是人类肌肉的100倍，但它的伸缩幅度只有1%%，这个幅度太小，不能用于人造器官等装置。鉴于此，鲍夫曼教授开始尝试另一种完全不同的材料。



这个新材料就是镍钛诺，它是一种镍钛合金，拥有记忆形状的特殊能力，这种合金能够很容易地弯曲或伸展，一旦外力消失又会很快恢复到以前的形状。鲍夫曼教授将这些合金做成电线，这些电线能够“记住”两个不同的长度点。



研究小组在镍钛诺电线上镀一层铂作为催化剂，一旦镍钛诺电线暴露在含有乙醇气体的空气中，乙醇就会被空气中的氧气氧化，氧化过程中产生的热量会使镍钛诺电线受热继而缩短；如果切断空气中的乙醇供应，镍钛诺电线又会伸展到原来的长度。镍钛诺人造肌肉最大的优点是伸展幅度可以达到5%%，这个幅度完全可以达到机器人和人造假肢的要求。



然而这个镍钛诺人造肌肉也有一个缺点，就是它只能记住长和短两个不同的点，不能控制收缩和伸展的速度。要把这些肌肉用到机器人身上，研究人员还需要一种循环系统，这一循环系统可以不断控制镍钛诺电线受热的速率，还可以带走氧化中的废气，并有效地让镍钛诺电线冷却而伸展。



鲍夫曼研究小组还在研究用酶取代铂作为催化剂的可能性。酶催化剂可以调控糖含量，从而利用糖取代乙醇或天然气作为燃料来供应能量，就像利用血糖浓度来调控的人造心脏一样。这一工作原理，使得人造器官或组织能更接近人类真正的器官或组织。



虽然科学家在人造肌肉的选材上取得了突破，但碳纳米管肌肉由于伸缩幅度小，不能提供足够的力量。具有记忆形状的镍钛诺肌肉所需要的循环系统还在研究中，人造肌肉在控制精确性、耐受力和生物相容性等方面还需要改进，在未来很长一段时间内，机器人还会在人机掰手腕的比赛中接受失败的命运。但科学家表示，目前人造肌肉在材料方面的研究已经很成熟，最需要的就是参与掰手腕比赛等实际运用中，在运用中不断发现问题，并提高人造肌肉的功能。
(责任编辑：泉水)