人造肌肉

人造肌肉又叫電活性聚合物，是一種新型智能高分子材料，它能夠在外加電場下，通過材料內部結構的改變而伸縮、彎曲、束緊或膨脹，和生物肌肉十分相似。醫學上，人造器官是指能植入人體或能與生物組織或生物流體相接觸的材料，有天然器官組織的功能或天然器官部件功能的材料。根據製造器官使用的材料以及其功能科學將人造器官分為三種：機械性人造器官、半機械性半生物性人造器官、生物性人造器官。其中，前兩類型種的人造器官移植後會讓患者產生排斥反應，對受體來説，適無副作用的是最後一種也就是生物性人造器官。

人造肌肉狀材料是根據生物學原理，由3種氨基酸(纈氨酸、脯氨酸和甘氨酸)按一定順序排列而構成的，它類似於人的肌肉纖維，具有彈性，且能隨環境温度和化學成分(如pH值)的變化而伸縮。由於它能模擬活體的生物過程，於是，人們把這種材料稱為生物聚合物。

來自亞利桑那州州立大學的研究員西宮川認為，人類的肌肉是人四肢活動的馬達，只有生產出超級的人造肌肉和裝置，才能讓殘障人士的假肢恢復正常的功能，這種新式的人造肌肉將有可能治療神經肌肉型疾病帕金森氏症。為此，科學家們利用生物仿生學，通過對蟾蜍和變色龍的肌肉的研究，打造出了這種神奇的“生物馬達”。

科學家發現，一個蟾蜍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非常驚人的。而目前人類所製造的最好的機械設備(動力馬達)也只能產生蟾蜍下巴肌肉的三分之一的力量。對於這種神奇的現象，科學家們通過對蟾蜍和變色龍的解剖尋找相關的信息。他們認為蟾蜍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貯存力量，適應肌肉所產生的張力，在蟾蜍大腦的操縱下實現肌肉的迅速收縮。

亞利桑那州州立大學的科學家中們從蟾蜍的肌肉構造上獲得靈感，設計出了一種“機器肌腱”，這種裝置可以模仿蟾蜍的下巴肌肉迅速收縮，產生強大的能量。這種機器肌腱就是“生物馬達”，也就是人造肌肉。再配合獨有的高端協調輔助設備，可以使假肢等設備和人的大腦信號協調一致，從而提高假肢的運動功能，實現殘疾人的正常生活。但是科學家認為，這種模仿蟾蜍製造出的人造肌肉最關鍵的部分還是高端協調輔助設備，只有通過大腦的操縱實現功能才是生物馬達最關鍵的部分，這個關鍵部分還需要繼續的研究探索。但是科學家表示，這種“生物馬達”人造肌肉將會促進神經肌肉學的研究和發展，有助於對人類神經肌肉學的擴展性研究，將生物仿生學和生物動力學有機結合起來，這種神奇的“生物馬達”堪稱神來之筆，不僅可以幫助殘疾人的生活，還推動了科學家對於生物仿生技術的發展。

科學家對人造肌肉的研究已經進行了幾十年，人造肌肉所用的材料種類也很多，有塑料、類似橡膠的聚合物、凝膠以及金屬，但是這些材料做成的人造肌肉面臨很多問題，比如需要消耗大量能量並且可能經常失效而無法像真正的肌肉那樣能自我修補。

全世界主要有3個研究中心參與人造肌肉的研究，其中兩家在美國，一家在瑞士。將於美國舉行的掰手腕比賽，會檢驗它們之中誰的產品最出色，而人類的胳膊屆時也會接受一次挑戰。

數十年前，構建致動器或者致動設備的工程師就已經為肌肉找到了一種人造替代物。作為對神經刺激的響應，肌肉只須改變長度就能夠準確地控制其施加的力量，例如眨眼睛或舉起槓鈴。同時，肌肉還表現出比例恆定的屬性：對於各種尺寸大小的肌肉，其機理都一樣，相同的肌肉組織既可以給昆蟲、也能夠為大象賦予力量。因此，對於難以製作電動馬達的驅動設備，某種類似肌肉的東西也許會有用武之地。

EPAs號稱要成為未來的人造肌肉。研究人員已經在雄心勃勃地工作，希望能夠為許多當代的技術尋找基於EPA的可選方案，而且不害怕將他們的發明物與自然物競爭。幾年前，有幾個人，包括來自美國加利福尼亞州帕薩迪納市噴氣推進實驗室（JPL）的高級科學家Yoseph Bar-Cohen，向電活化聚合物研究團體發起了一項挑戰，以激發人們對該領域的興趣：展開一項競賽，看誰能夠最先製造出EAP驅動的機器人手臂，而且必須在與人的手臂的一對一掰手腕比賽中取勝。然後，他們開始尋找贊助商的資助，為優勝者頒發現金作為獎勵。

最有前途的工作也許是美國斯坦福研究院（SRI International）正在做的研究，SRI是基於加利福尼亞州門洛帕克市的一家非盈利的合同型研究實驗室。SRI管理層希望能夠在幾個月內，將所需資金中的400-600萬美元作為最初投資，組建一家讓產易股的公司（暫時命名為人造肌肉綜合公司）以實現其專利EPA技術的商業化。SRI手裏仍然有着六項研發合同，甲方包括美國政府以及來自玩具、汽車、電子、機械產品和鞋類行業的公司。SRI正在努力，以期儘快將人造肌肉推向市場。 ^[1] 

2008年03月25日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，它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。據負責該研究項目的加州大學洛杉磯分校一位研究人員佩·齊平（QibingPei）介紹説，"我們已經成功的研製出了人造肌肉。如果你給它充電，它能夠膨脹2倍以上，而且它的運動和能量供應情況和真正的肌肉非常類似"，它能夠在外加電場的作用下，通過材料內部結構的改變而伸縮、彎曲、束緊或膨脹，和生物肌肉十分相似。

據2008年4月25日每日科學網報道，美國科學家利用生物仿生學成功研製出一種最新式的有“生物馬達”之稱的人造肌肉和裝置，這種“生物馬達”將極大的提高殘疾人假肢的活動功能，有助於醫學治療神經肌肉型疾病，例如帕金森氏症。

2012年11月，一種擁有廣泛用途的革命性超強壯人造肌肉問世，其由石蠟填充的碳納米管纖維製造而成，可驅動超過自身體重10萬倍的重物，並提供超過天然骨骼肌85倍以上的機械功率。

2014年2月21日，最新研究表明，那些漁民們用來捕魚的最普通的尼龍絲可以成為強大的人造肌肉的製作材料，並且可以製作一種“智能”服裝，這種“智能”服裝能夠根據天氣的變化來進行温度調節。 ^[2] 

2023年，瑪麗女王大學科學家新開發的電動人造肌肉，可集成到複雜的柔性機器人系統中，有望徹底改變柔性機器人和醫療應用等領域。 ^[8] 

現行的機器人或機械手臂受到能量限制，只能在電源附近活動。因此，美國國防

部高級計劃研究署一直希望能研發出一種能像人類一樣自由活動、而且自身可以供應能量的新型裝置，於是便有了這種超級仿生肌肉的模型。據研究人員介紹，這種仿生肌肉的最大好處就是能量由燃料供應，以彌補電池功能的諸多不足。仿生肌肉可以自由活動，而且能工作更長時間，不會因電池短命而動不了，也不必時刻綁個電源在身邊。 ^[3] 

按照研究人員的設想，仿生肌肉研製成功後，將能完成人類和機器人各自無法獨立做到的事情。它能像人類一樣到處行動，能像自然手臂一樣靈活運用，還能“綁”在“外骨骼”上，使消防員、士兵和宇航員等特殊行業的人擁有超人般的力量。有了它，也許消防員就可以隻手撐起倒塌的建築材料，而戰場上的士兵也可以變成不知疲倦的“超人”。 ^[3] 

為了實現這些功能，美韓兩國科學家聯手開發了兩種仿生肌肉，以適應不同需要。

一種是把化學能轉化成電能。它用含有催化劑的碳納米管彎曲搭建出肌肉塊、“燃料細胞”電極和超級電容器電極，它們會在充滿氫的環境中，源源不斷地產生電源。 ^[3] 

另一種是把化學能轉化成熱能。它利用氫和乙醇反應提供能量，配合特製的記憶金屬絲。例如，當温度降低時，金屬絲就會收縮，催化劑減少作用，人造肌肉就會放鬆收縮。這種方法打造出來的人造肌肉力量最大，舉力是正常骨骼肌肉的100倍以上。 ^[3] 

不過目前看來，這兩種肌肉都沒有一點肌肉的樣子，它們只是一堆電線、懸臂和玻璃瓶。惟一能夠區別於機械臂的特點就是它們能夠像生物一樣“呼吸”：吸入氧氣，釋放乙醇和氫，提供能量。 ^[3] 

這種情況完全可能。加拿大學者指出：“事實上，人造肌肉已成功複製出了很多生物特點。比如説，它有循環系統，氧和燃料可以通過循環系統輸送，為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，由特殊電路組成，能夠做出反應並控制自己的行為；它還能存儲能量，並像人類的肌肉一樣，直接對接觸做出判斷反應。” ^[3] 

人造肌肉伸縮性已能和人的肌肉相媲美，材料自身性能決定，無需馬達、齒輪等複雜裝置，體積小、重量輕。研究人員稱研發的兩種人造肌肉性能均非常突出，同時具備燃料電池和肌肉的功能。其中一採用了含催化劑的碳納米管電極，可作為燃料電池的電極將化學能轉化為電能，級電容器的電極來儲存電能，還可作肌肉電極將電能再轉化為機械能。另外一種是目前最強健的肌肉，是通過混合燃料和空氣中的氧氣發生催化反應，將化學能能，升高的温度可使製造肌肉的具有形狀記憶 ^[4] 

功能的金屬材料用力收縮，冷卻後肌肉脹放鬆。由於這種燃料電池肌肉所使用的外層塗有納米顆粒催化劑的形狀記憶金在市場上買到，這使得它尤其容易在自動裝置中得到應用。 ^[4] 

這次新研製成功的人造肌肉則解決了這些問題。研究人員使用更具有彈性且已經被廣泛應用的碳納米管（carbonnanotubes）取代其它金屬薄膜來充當電極，這樣就避免了因重複使用導致金屬膜失效而出現的供電問題。另外，如果碳納米管某一部分出現問題，它周圍剩下的區域就會將其自我封閉起來，使其不會導電，這樣就防止了損壞影響到其它區域。佩·齊平説，“我們對這個新裝置已經多次進行了類似的實驗，包括用大頭針將人造肌肉刺破，結果證明它並沒有癱瘓，還能正常工作”。 ^[4] 

更神奇的是，這種能自我修復的人造肌肉還能發電和儲存電能。當此人造肌肉在膨脹後收縮時，它自身碳納米管的結構會進行重新排列，這是它就會產生一股小小的電流。並且這股電流是可以儲存並加以利用的，例如給下一次肌肉運動擴張提供能量，或者貯存在電池裏給類似於iPod的移動設備充電。“它可以將你輸送給它的近70%的能量保存下來，” ^[4] 

值得一提的是，人造肌肉的服務對象不僅僅是人類本身。研究者介紹，人造肌肉還能成為機器人、飛機、海洋艦隊等的幫手。 ^[4] 

由於乙醇產生的能量係數比電池等常規能源高出30%，因此，人造肌肉可以安裝在機器人身上充當“電池”。還可以用在假肢上，給假肢新的力量。 ^[4] 

此外，人造肌肉還可以當作飛機和艦艇的“外衣”。人造肌肉是由碳納米管制造而成，“披”在運輸工具外面，可以使它們運行起來阻力更小、更順利。將來有一天，人造肌肉甚至能夠替代金屬製的心臟起搏器，打造和人類身體更親近的新一代“人造心臟”。 ^[4] 

美國和韓國研究者聯手研究出一種超級仿生肌肉。這種肌肉不僅力量大得驚人，而且從來不會疲憊。這一發明可能最終用於消防隊員、宇航員或戰士，為各條戰線打造力大無窮的“超人”隊伍。 ^[5] 

新的人工肌肉可以模仿肌肉收縮產生力量。將石蠟嵌入經過編織形成一種特殊結構的碳納米管纖維中，通過直接加熱、電加熱，或者使用一道閃光，石蠟就會發生體積膨脹，使整個“肌肉”膨脹。但由於碳納米管纖維特殊的結構，“肌肉”的長度會同時發生收縮，就產生了力量。 ^[5] 

隨着通電和斷電，肌肉絲扭曲和恢復所產生的扭力足以為微型彈射器提供動力，在實驗室工作台上發射金屬箔片。研究人員決定建造一個彈射器來展示此項新發明的奧妙。 ^[5] 

這種“肌肉”的舉重能力是同等尺寸的天然肌肉的200倍，如果按重量相比，產生的扭力高於大型電動發動機。但人工肌肉還不能完全吊起一架鋼琴，因為當前可行的生產技術限制了絲的重量。 ^[5] 

自從1990年代中期以來，Bar-Cohen一直為經常變化的國際EAP研究人員團體充當非正式的協調人。回到該領域的萌芽時期，“我從科技論文上讀到的電活化聚合物材料並不像廣告吹噓的那樣神奇，”他一邊回憶，一邊狡黠地笑着，“而且當我從NASA獲得經費來研究該技術時，我不得不去了解誰在做這個領域的工作，以便從中找到某些啓發。”僅在數年之內，Bar-Cohen就已掌握了足夠的知識，並且協助舉辦了首屆關於該主題的科技研討會，開始出版一份EAP時事通訊，發佈了一個EAP網站，還編寫了兩部關於這項新興技術的論著。 ^[1] 

在噴氣推進實驗室（JPL）院內的一幢矮層研究建築內，試驗枱上擺滿了各種致動設備原型以及測試裝置，Bar-Cohen開始回顧他已經瞭如指掌的關於該領域的歷史。他説：“很長一段時間內，人們一直在尋找不用電動馬達就可以移動物體的方法，因為馬達對於許多應用而言顯得太過笨重。在EPAs出現之前，馬達的標準替代技術是壓電陶瓷，該技術曾一度是研究的熱點。” ^[1] 

在壓電材料中，機械應力可導致晶體電極化，而且反之亦然。用電流刺激這種材料將使其變形；通過改變其形狀可以產生電。 Bar-Cohen從一張實驗長椅上拿起一隻淺灰色的小碟子，説：“這塊碟子由PZT（鋯鈦酸鉛）製成。”他向我們解釋：電流使得壓電PZT產生收縮或者膨脹，幅度只有不到其總長度的百分之一。儘管變形量很小，但是卻有用處。 ^[1] 

在隔壁的一間屋子中，Bar-Cohen出示了由PZT碟子驅動的一英尺長的衝擊鑽，他正和JPL的同事以及Cybersonics公司的工程師們一起研製這些PZT碟子。他介紹説：“在這個圓筒內是一疊壓電碟子，當被交流電激活時，這疊碟子將以超音速拍打鑽頭，鑽頭則以高速率上下跳躍，從而鑽入堅硬的岩石。”在另一側是幾堆石塊，石塊已經被鑽出很深的孔眼。 ^[1] 

該鑽子作為一個範例，説明了用壓電陶瓷製作致動器的有效性，的確讓人印象深刻。但是，在許多應用中，要求電活化材料的膨脹幅度超過百分之零點幾。 ^[1] 

高分子液晶是科學家們心目中的硅的理想替代物。過去，許多微觀研發工作都是在硅材料的基礎上進行的。而越來越多的科學家認為，高分子液晶聚合物的柔韌性比硅好。對液晶聚合體進行精細剪裁加工後，加工出的樣品對温度變化、紫外線照射等特定的外界刺激有相應的反應，也比硅的敏感程度高。而且液晶聚合物的製造成本比硅材料更低，加工工藝也更加簡單。

相比起硅制的假肢，“人造肌肉”更顯神奇。20世紀80年代，科學家們發現，在電流的作用下，高分子液晶材料的分子可以發生形變和扭曲，進而使材料本身產生收縮和彎曲——這非常類似於人類的肌肉，於是科學家們開始研究如何利用高分子液晶材料構造“人造肌肉”。傳統的機器人除了關節之外，四肢不能自由活動，如果有了“人造肌肉”，則他們的四肢會更加靈活且發達。 ^[6] 

尼龍絲這種令人意料之外的功用，是在本週出版的美國《科學》雜誌中公佈的，而這項研究的參與者則是在美國德克薩斯州大學達拉斯分校工作的巴西科學家們。 ^[2] 

這項研究由Roy Baughman領導，他是在這項領域中對世界貢獻最大的科學家之一。 同時，另外兩位科學家Mônica Jung de Andrade與Márcio Lima在美國相關機構攻讀完博士後課程，也加盟了這項新研究。 ^[2] 

研究顯示，能夠成為製作人造肌肉材料的最重要特徵，就是此材料有能力在儲存大量能量的同時以同樣的方式保持肌肉的活性。 ^[2] 

另一個重要的指標就是這個製作材料的可逆轉性。因為研究顯示，除非一種材料在經歷幾千次儲存與釋放能量的過程中完全不損失其性能，否則就無法保持其強大的收縮力以保持肌肉活性。 ^[2] 

在攻克這一難關的過程中，科學家們其實已經使用了許多材料進行人造肌肉實驗。科學家們起初使用碳納米管來進行人造肌肉實驗，他們將該材料加熱，並且像真正的肌肉一樣舉起重物，但是許多實驗材料的實驗結果卻並不理想。 ^[2] 

Márcio Lima向記者解釋道，解開這個謎題的關鍵就是研究員們找到了某些纖維材料的熱膨脹係數為負，這就相當於在加熱材料和冷卻材料的過程中，只要控制好與應用好材料温度的變化，就能夠準確地在材料的運動過程中保持材料的可逆轉性。 ^[2] 

他説道：“我們發現將纖維擰在一起形成一個彈簧或者線圈的形狀能夠放大使用效果。之後我們又實驗了許多更加便宜的纖維材料，也達到了很好的效果，尼龍絲就是其中一種。” ^[2] 

這種材料的最大好處就是在於價格便宜，因為這種尼龍絲每斤只需花費15雷亞爾。而且在實驗中，這種尼龍絲所製作的人造肌肉，在100攝氏度温度變化內的承重效果，比人體肌肉的性能要強84倍之多。 ^[2] 

在未來，這種新型技術可能會應用於機器人制作、生物醫學工程（例如製造承重性能強大的假肢等等），甚至在紡織行業也可以應用。例如，在嚴熱或寒冷的天氣中，你可以打開或關閉衣服上用該尼龍絲科技製成的“氣孔”，以達到調節温度的目的。 ^[2] 

SRI小組的領導者Ron Pelrine介紹説：“在與日本簽署微型機器計劃（Japanese micro-machine program）合同之後，斯坦福研究院（SRI INTERNATIONAL）從1992年開始研究人造肌肉。”他從前是一名物理學家，轉行做機械工程師。日本官方在尋找一種新型的微致動器技術。幾位SRI研究人員開始尋找一種在力學、衝程（線性位移）以及應變（單位長度或單位面積的位移量）等方面的性質與自然肌肉類似的致動材料。

“我們考察了一大堆有希望的活化技術，”Pelrine回憶道。然而，他們最終選擇了電致伸

縮聚合物，當時來自路特葛斯大學（Rutgers University）的Jerry Scheinbeim正在研究這種材料。這種聚合物中的碳氫分子以半晶體點陣的方式排列，而這種晶陣具有類似壓電的屬性。

當處於電場中時，所有的絕緣塑料（例如聚亞安酯）將會沿電力線的方向收縮，同時沿垂直於電力線的方向膨脹。這種現象與電致伸縮不同，被稱為麥克斯韋應力。Pelrine 説：“這種現象早就為人們所熟知，但一直被當作是一種很麻煩的效應。”

他意識到，比聚亞安酯更軟的聚合物在靜電吸引作用下將更容易擠壓，因而可以提供更大的機械應變。通過對軟硅樹脂進行試驗，SRI的科學家很快證明其應變在10-15%之間，這十分合意。經過進一步研究，這個數字還可以提高到20-30%。為了區別這種新的致動器材料，硅樹脂和其他較軟的材料被命名為電絕緣橡膠（dielectric elastomers）（也被稱為電場活化聚合物。）

在確定出幾種有前途的聚合物材料之後，在1990年代剩餘的大部分時間內，該小組將注意力集中於研製特定設備應用的具體細節。當時，該SRI研究小組新的外部經費支持和研究方向由美國國防高級研究計劃局（DARPA）和海軍研究中心（Office of Naval Research）提供，其主管的首要興趣在於將該技術用於軍事目的，包括小型偵察機器人以及輕型發電機。

由於橡膠開始表現出大得多的應變，工程師意識到電極也必須是可以膨脹的。普通金屬電極無法伸長，除非將其割裂。Pelrine提到：“起先，人們不用為這個問題操心，因為他們研究的材料所提供的應變只有1%左右。”最後，該研究小組開發出一種基於在橡膠陣列（elastomeric matrix）中填充碳粒的屈從電極。他指出：“由於電極和塑料一起膨脹，它們可以在整個活動區域之間保持電場。”SRI International為該概念申請了專利，它是後來人造肌肉技術的關鍵之一。

Pelrine急於向我們展示，他拿出一個15釐米見方看上去像相框的東西，其兩面的塑料包夾由於膨脹而緊繃着。“看，這種聚合物材料延展性非常好，”他説，同時用一隻手指按入其透明薄膜。“它實際上是一種雙面膠帶，一大卷的價格很便宜。”在中間夾片的兩面是黑色、鎳幣大小的電極，連着導線。

Pelrine擰開電源的控制旋鈕。立刻，黑色的圓形電極對開始膨脹，直徑增加了四分之一。當他將旋鈕擰回到原來位置時，電極馬上又收縮至原狀態。他咧嘴笑了笑，並且重複操作了好幾次，解釋説：“根本上，我們的設備就是電容，也就是兩塊平行的充電平板，中間夾着電絕緣材料。當電源接通時，正負電荷分別在相反的電極上積累。電極平板互相吸引並且擠壓中間的絕緣聚合物，並且聚合物的面積擴大。”儘管已經確定出幾種有前途的材料，要想在實際設備中實現可接受的性能的確是一個挑戰。然而，該小組在1999年取得的一系列突破引起了美國政府及工業界相當的興趣。

有人通過觀察發現，在電活化聚合物材料之前預先拉伸它，將大大提高其性能。小組的另一位成員Roy Kornbluh工程師回憶説：“我們開始注意到存在一個甜區（sweet point），這時可以獲得最優性能。沒有人確切地知道為什麼，但是預拉伸聚合物可以使擊穿強度【電極之間電流通路（passage of current）的阻力】增加100倍之多。”電活化應變提高的幅度與之類似。儘管原因還不是很清楚，SRI的化學家裴其冰（音）認為：“預拉伸可沿平面膨脹方向定位分子鏈，並且材料使得沿該方向更加堅硬。”為了獲得預拉伸效果，SRI的致動器設備採用了一個外部支撐結構。

第二項關鍵發現得益於研究人員“測試我們所知道的每一種可伸展材料，我們稱之為愛迪生方法，”Pelrine愉快地告訴我們。（為找到合適的電燈燈絲材料，托馬斯·愛迪生系統地試驗過各種材質。）“在我家裏，為了不讓我那剛會走路的孩子亂拿東西，我們用一把以聚合物材料做的門鎖將冰箱鎖住。孩子逐漸長大，我們不再需要鎖什麼東西，因此將鎖拿走。由於它是用可伸展材料製成的，我決定測試一下它的應變屬性。令人驚訝的是，它擁有極佳的性能。”追溯鎖的來源以及分析其組成不是什麼難事，最後，這種神秘的聚合物“原來是聚丙烯酸橡膠，它可以提供極大的應變和能量輸出，線性應變達380%之多。這兩項進展使得我們能夠開始將電絕緣橡膠應用到現實的致動器設備中。”該研究人員介紹説。

SRI小組的通用研究方法比較靈活，包括許多種設計、甚至包括不同的聚合物。正如裴其冰所説：“這是一台設備，而不是一件材料。”據Pelrine稱，該小組能夠用不同的聚合物產生活化效應，包括丙烯酸樹脂和硅樹脂。甚至天然橡膠也能產生一定效應。例如，在外部空間的極端温度環境中，人造肌肉最好採用有機硅塑料，已經證明這種材料可以在零下100攝氏度的真空環境下工作。對於要求更大輸出力的應用，可能需要更多的聚合物材料或者將多台設備串聯或並聯。

SRI成員von Guggenberg 估計：“由於可以買到電絕緣橡膠的現貨，而且我們在每台設備至多隻用到幾平方英尺的材料，因此致動器將會非常便宜，尤其是對於批量生產。”

激活電絕緣橡膠致動器的電壓相對較高，通常為1到5千伏，因此該設備可以在非常低的電流下運轉（一般而言，高電壓意味着低電流）。致動器還可以使用較細、不太貴的導線，並且可以保持相當冷卻。Pelrine説：“在到達電場中止以及電流流經（電極之間的）間隔的臨界點時，更高的電壓將產生更大的膨脹和應力。”

更大的難題是高電壓要用於移動設備，因為電池通常是低電壓的，因而還需要附加的變壓線圈。而且，在美國賓夕法尼亞州州立大學，張啓明（音）和他的研究小組已經在嘗試通過將某些電致伸縮聚合物與其他物質結合生成合成物，來降低它們的激活電壓。 當被問及電絕緣橡膠的耐久性時，von Guggenberg承認還需要更多的研究，並且證實了一個“合理跡象”，即他們要繼續工作足夠長時間以實現商業化用途，“例如，我們為一位客户運行的設備可產生5-10%的應變，循環1000萬次。”另一台設備可產生50%的面積應變，循環100萬次。儘管人造肌肉設備比相應的電動馬達要輕得多（聚合物本身的密度與水差不多），SRI仍在通過減少必要的外部預應變設備，來努力減輕其質量。 2004年5月27號日本橫濱國立大學渡邊正義教授領導的研究小組開發出一種新型人造肌肉，用一節乾電池即能驅動，用於微型機器和小型機器人的關節部位十分合適。這種人造肌肉形狀像口香糖，長約5釐米，寬1釐米，厚幾百微米。它由一種隨電壓變化而伸縮的高分子材料與一種不易揮發的離子液體混合製成，可以在正常環境下長期使用。如果在微型機器的關節和驅動部位裝上這種人造肌肉，它可像人的關節一樣發揮作用。

20世紀80年代，科學家發現，非金屬材料能在電流的作用下運動，於是開始構想人造肌肉。作為人造肌肉的先驅者，美國航空航天局的科學家約瑟夫·巴·考恩用自己的研究成果證明，通過電流刺激，可使高分子材料自動伸縮和彎曲，研製出具有與人類肌肉相同機能的人造肌肉。簡單地説，人造肌肉由粘合性塑料材料製成，是把管狀導電塑料集束成肌肉一樣的複合體，在管內注入特殊液體，導電性高分子在溶液中釋放出離子，在電流的刺激下完成伸縮動作。通過控制電流強弱調整離子的數量，可以有效改變人造肌肉的伸縮性。相反，通過改變複合體的形狀也可以產生電。

人造肌肉具備人類肌肉的功能。在人造肌肉中，一根直徑為0．25毫米的管狀導電塑料可承重20克，相同的體積，人造肌肉比人體肌肉的力量強壯10倍。

當然，研製人造肌肉，並不是科學家的心血來潮，而是為了排除人類探索自然過程中的障礙。在探測火星和其他星球的科學實驗中，傳統引擎驅動的機器人，除了關節之外，四肢沒有任何可以活動的關聯處，能量上自然是捉襟見肘。如果有了人造肌肉，四肢更加發達，能將分子能量的70%轉化為物理能量，遠遠大於電動引擎的功率。一種名為Birod的生物機器人已問世，它可以負載超過自身1.7萬倍的重量。Birod既不怕火星的沙塵石，還大大減輕了自身的重量。

2015年4月，搭載人造肌肉材料的獵鷹9號火箭從美國佛羅里達州升空進入國際空間站，目的是在國際空間站中測試這種材料的抗輻射能力，未來它將被安裝在機器人身上，使其能夠在特殊環境中執行任務。這種人造肌肉是由電活性聚合物製成的材料，是一種新型智能高分子材料。在外加電場的作用下，當電荷逆轉時，它會隨着電流收縮、擴張、彎曲、束緊或膨脹，能夠模擬人類的肌肉運動。

人造肌肉除了能夠模擬人類的肌肉運動外還具有非常好的抗輻射特點，所以這種材料被安裝到機器人身上，可以使其更好地完成太空探索的任務，也可以在核電站故障後執行救援和維修維護任務。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。同樣，人造肌肉在零下271攝氏度的條件下也不會發生改變，在遠高於水的沸點的135攝氏度的環境下也能很好地工作。

基於人造肌肉各方面的優越性，研究人員將人造肌肉送往太空進行測試，檢驗其是否能夠適應太空和外星球表面的惡劣環境。 ^[7] 

美國陸軍希望通過“未來士兵裝備”計劃減輕士兵戰鬥負荷。麻省理工學院就正在研製用於未來士兵裝備的人造肌肉。人造肌肉一旦裝入手套、制服和軍靴裏，士兵就會有超人的力量，舉重物、跳過高牆不在話下。此外，利用人造肌肉可以發電的原理，士兵將不需要自己背發電機，美國斯坦福研究員正在開發一種“腳後跟”發電機，即把人造肌肉材料安裝在軍靴的鞋跟上，通過步行、跑步等運動就能使其發電。科學家説，利用這一設備，一個普通個頭的人每邁出一步就可以產生1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器充電，非常適合在野外行動的士兵。

如果把人造肌肉僅僅用於戰爭，那實在太令人遺憾了，可喜的是，未來，凡是需要小型電動引擎來驅動的製造產業，人造肌肉都有用武之地。

汽車製造商就對人造肌肉很感興趣。一輛汽車通常需要50到100個驅動傳動裝置，如果這些裝置改用人造肌肉作驅動力，不光可增強耐磨性，更能極大地提高功率。

人造肌肉靈活柔軟的特性還可以用來製造醫用導管和在地震救災中大顯身手的蛇形

機器人。作為生物型機器人的嘗試，日本大阪的伊美克斯公司還利用人造肌肉研製成一種可以亂真的機器魚。機器魚長6.7釐米，在水中游動的姿態與真魚沒什麼差別，更難得的是，它的“耐力”可保持半年時間。機器魚的肚子裏既沒有裝馬達、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。

有的科學家甚至想把人造驅動產品帶到2004年雅典奧運會上去，這個設想一旦實現，人們將在奧運賽場上看到前所未有的奇觀，無論是跳高舉重，還是賽跑游泳，人造驅動產品的表現都將令人吃驚。

不管是在軍事領域，還是在商業製造領域，人造肌肉都將發揮無可估量的作用。考恩教授説：“我們不需要什麼齒輪，也不需要軸承，我們所需要的就是可以導電的高分子材料。這將改變機器人研究的藍圖。”

人造肌肉是一種在電場的作用下能夠伸縮的塑料，在電視和電腦屏幕裏，它可以產生真正的逼真色彩。在未來10年內，以這些材料為基礎製造的微小的“可調稜鏡”，就會出現在改進型顯示器上，充當起像素的角色。現有的顯示設備，比如電視顯像管、液晶顯示屏或等離子顯示器，都不能完全再現人類能看到的所有顏色。這些屏幕上的每個像素都由3個發光元件構成，每個元件發出三原色（fundamentalcolor，即紅、綠、藍三色）中的一種。顯示器將不同亮度的三種顏色混合在一起，就能產生其他的顏色，不過這種方式得到的顏色範圍受到限制。

瑞士聯邦理工學院蘇黎世分校的曼紐爾·阿什萬登（ManuelAschwanden）和安德里亞·施特默爾（AndreasStemmer），研製出了一種給屏幕染色的新方法。他們採用了反射式衍射光柵組成的陣列。光柵是一種微小的光學元件，它們的表面佈滿一系列纖細、平行和等距的凹槽。這些凹槽可以像稜鏡一樣，把白光分解為繽紛的彩虹。阿什萬登説：“拿起一張光盤，用底面斜對着陽光，你就能看到同樣的效果：陽光在規則刻劃的表面上，反射成了七彩虹光。”

為了檢驗這種概念的可行性，兩位研究者製造了一個包含10個像素的光柵陣列，每一個像素都是一個衍射光柵。阿什萬登解釋説，白光先照射到一個邊長約75微米的光柵上。在光柵表面一層薄薄的聚合物膜上，澆鑄着一條條間距1微米的凹槽。施加不同的電壓，光柵就會膨脹或收縮，這樣照射進來的光線遇到的凹槽就會時疏時密。這種效果改變了光線被反射回去的角度，因而使反射形成的七彩虹光的位置發生明顯的偏移。在光柵的前面放上遮光板，只留出一個小孔，這個系統就能分離出特定的顏色，只讓這種色彩透過小孔射出來。改變電壓，使不同顏色的光對準小孔，系統就能顯示不同的色彩。

為了在一個標準顯示器上顯示覆合色，每一個像素將由兩個或多個衍射光柵組成。這是必需的，因為一些顏色並不出現在白光分解而成的七彩虹光之中，比如棕色就是如此。

阿什萬登説，雖然這個系統還太小，無法實際應用，但是它的像素密度卻和一個高質量液晶顯示器相同。他也坦然承認，他的發明要想應用到某種視頻產品上，還有很長的路要走。他們製作的下一個原型系統，將是一個擁有400個光柵的陣列。他們“顯示器”的工作電壓是300伏特，比家庭用電的電壓高很多，不過正在研製的新材料將會降低這個工作電壓。美國斯坦福大學的電子工程師、硅光機械公司（SiliconLightMachines）創始人之一、微光電子技術的開拓者奧拉夫·索爾高（OlavSolgaard）評論説：“這是彩色顯像領域一個非常有趣的成果，不過要達到實用水平，它還需要面對非常嚴峻的技術挑戰。”他列舉了幾個潛在的技術障礙，比如，為了取得良好的對比度，該如何產生所謂的“全黑像素”；再比如，考慮到光柵“丟棄了相當一部分光線”，又該如何有效地維持圖像的亮度。對於被動顯示器，也就是那些把周圍的白光反射成圖像的顯示器來説，這項技術也許非常有用，它們可以被應用到手機上。

不管怎麼説，蘇黎士的研究人員並沒有侷限在顯示器上，他們正在開拓其他的應用領域。他們已經研製出一台高分辨率顯微鏡的原型樣機，其原理是，利用人造肌肉膜改變單色光束的方向。“對光線進行調整或變向，是許多光學系統的基礎，”阿什萬登強調，“這一成果為完成這些任務提供了一種便宜而且精準的方法。”