冷劲松教授团队Science：人工肌肉领域取得重大突破

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1月29日，我校与美国德克萨斯大学达拉斯分校、江苏大学、韩国汉阳大学、澳大利亚卧龙岗大学等单位合作，首次发现通过聚电解质功能化的策略，可实现人工肌肉智能材料的“双极”（Bipolar）驱动转变为“单极”（Unipolar）驱动，同时发现了人工肌肉随电容降低，驱动性能增强的反常现象（Scan Rate Enhanced Stroke, SRES），这一重要突破解决了人工肌肉驱动性能的电容依赖性问题，为后续设计具有无毒、低驱动电压的高性能驱动器提供新的理论基础。研究成果以“单极冲程、电渗泵碳纳米管纱线肌肉”（Unipolar-Stroke, Electroosmotic-Pump Carbon Nanotube Yarn Muscles）为题，在线发表于著名学术期刊《科学》（Science）上，我校为共同通讯作者和共同第一作者单位，其中我校冷劲松教授为共同通讯作者（江苏大学丁建宁、哈尔滨工业大学冷劲松、美国德克萨斯大学达拉斯分校Ray H. Baughman），其博士毕业生楚合涛为共同第一作者（楚合涛、胡兴好、王锺、穆九科）。2014至2016年，楚合涛在德克萨斯大学达拉斯分校进行博士生联合培养，自2014年起，冷劲松教授课题组与德克萨斯大学达拉斯分校Ray H. Baughman教授课题组开始该项工作研究，并取得了关键性突破。

人工肌肉类型以及“单极”、“双极”驱动特征对比

       目前，新材料正由轻质、多功能化向智能化方向发展。智能材料（Smart Materials）是指一类可以在外界激励下做出主动响应的新材料，具有自驱动、自监测、自修复等多种功能，在人工智能、智能制造、生物医疗、机器人等领域具有广泛的应用前景。聚合物纤维与碳纳米管纱线人工肌肉是一种典型的智能材料，主要通过热、电化学两种方式实现驱动。由热力学定律可知，热驱动受到卡诺循环效率的限制，从而影响了其应用潜力。相比而言，电化学驱动克服了卡诺循环效率限制的问题，能量转换效率更高，具有更广阔的应用前景。
       传统的电化学碳纳米管纱线人工肌肉（以下称：人工肌肉）存在以下局限性：（1）阴阳离子的嵌入、嵌出过程使得驱动应变与扫描电压之间呈现出“双极”效应，这意味着在电化学窗口内，纤维尺寸不是单调性变化，反向离子的嵌入、嵌出抵消了驱动应变，从而降低了人工肌肉的驱动性能；（2）人工肌肉的性能完全依赖于工作电极的电容特性，即随着扫描速率的增加，性能急剧降低。因此，传统的人工肌肉只能产生单向驱动，而且需在极低的扫描速率下工作。
        针对以上问题，本研究通过聚电解质（零点电位移动试剂）功能化的策略，改变人工肌肉的零点电位：（1）实现了单一离子嵌入、嵌出的“单极”效应，解决了“双极”效应反向离子的嵌入、嵌出引起的性能降低问题，提高了做功效率与能量密度等性能；（2）人工肌肉随扫描速率增加，驱动性能增加，实现了SRES效应，解决了传统人工肌肉驱动性能的电容依赖性问题。进一步研究发现，SRES效应是因水合离子在高扫描速率或脉冲频率下可带动周围的水分子，从而增大了离子的有效尺寸，提高人工肌肉性能。
       相比于传统人工肌肉，该人工肌肉具有无毒、驱动频率高（高达10 Hz）、驱动电压低（1 V）、高比能量（0.73~3.5 J/g），高驱动应变（3.85~18.6 %）以及高能量密度（高达8.17 W/g）等特性，在空间展开结构、仿生扑翼飞行器、可变形飞行器、水下机器人、柔性机器人、可穿戴外骨骼、医疗机器人等领域具有巨大的应用潜力。
在杜善义院士、韩杰才院士的带领下，我校复合材料与结构研究所于20世纪90年代初在国内较早地确立了智能材料与结构的研究方向。在“崇德广业，穷理致用”发展理念的指导下，冷劲松教授课题组长期从事智能材料结构力学及应用研究，主要研究方向包括形状记忆聚合物及其复合材料结构、人工肌肉、多功能纳米复合材料结构、空间可展开结构、可变形飞行器、柔性机器人、4D打印技术及生物医疗器件、结构健康监测、振动主动控制等。
       文章链接：https://science.sciencemag.org/content/371/6528/494


       文章来源：哈工大
       冷劲松教授是长江学者特聘教授，国家杰出青年基金获得者，中组部“万人计划”首批科技创新领军人才，哈尔滨工业大学学报编辑部主任。研究方向包括：智能复合材料和结构；传感器和驱动器；激励响应聚合物（形状记忆聚合物和电活性聚合物）及其复合材料结构；多功能纳米复合材料结构；主动振动控制；结构健康监测和主动变形结构。目前已发表260余篇学术论文，出版中英文论著3部，参编6部英文书籍的8个章节，获授权国家发明专利30余项，在国际会议作大会特邀报告（Plenary/Keynote lectures）20余次，包括：国际智能结构/无损评估健康监测年会（SPIE Smart Structures/NDE）；国际复合材料大会（ICCM）；亚洲-澳大利亚复合材料会议（ACCM）；国际复合材料和结构会议（ICCS）；国际复合材料/纳米工程会议（ICCE）；国际实验力学会议（ICEM）；国际自适应结构和技术会议（ICAST）；固体断裂和强度国际会议（FEOFS）等。冷劲松教授担任国际学术会议大会主席/副主席10余次，多次担任国际学术会议顾问/学术委员会委员，并担任多个国际期刊的主编/副主编，包括：国际智能和纳米材料杂志主编（Taylor & Francis）；智能材料和结构杂志副主编（IOP）；智能材料系统和结构杂志副主编（SAGE）。当选国际复合材料委员会执委；国际光学工程学会会士（Fellow of SPIE）；英国物理学会会士（Fellow of IOP）；英国皇家航空学会会士（Fellow of RAeS）；英国材料、矿石和冶金学会会士（Fellow of IMMM）；美国航空航天学会通讯会士（Associate Fellow of AIAA）。联合指导博士生获得全国百篇优秀博士学位论文1人和提名1人。
       丁建宁，男，江苏大学教授，博士生导师。2001年毕业于清华大学，获博士学位；现任江苏大学副校长。江苏省光伏科学与工程协同创新中心主任、江苏省光伏科学与技术国家重点实验室培育建设点主任。先后获得镇江市十大杰出青年（2003年）、江苏省十大杰出青年提名奖（2006年）、常州市产学研合作贡献奖（2012年）、《科学中国人》（2012）年度人物、全国石油和化工优秀科技工作者（2013年）、常州市科学技术突出贡献奖（2014年）、江苏省创新争先奖章（2017年）等表彰。
      多年从事微米纳米技术在新能源材料与器件领域中的应用研究，围绕新能源材料及器件设计与制造，创新微纳制造工艺，在光伏、储能和柔性电子机械器件设计与制造方面，做出了系统的创造性贡献。在光伏材料及器件设计与制造方面：突破太阳电池多晶硅材料制造技术，成果获2012年度国家科技进步二等奖；创新化学催化刻蚀、多层介质钝化、分布式磷扩散等9项高效晶硅太阳电池量产微纳制造关键技术，使我国晶硅电池制造技术处世界领先水平，多次创造太阳能电池效率和组件输出功率世界纪录，被载入世界纪录路线图，成果获2017年度中国石油和化学工业联合会技术发明特等奖和中国机械工业技术发明一等奖。在柔性材料及器件设计与制造方面：开创新一代超薄和柔性太阳电池技术和柔性电子机械研究。碳纳米管膜超弹性导电体论文在国际顶级刊物《Science》发表。被美国discover杂志评为世界100项重大发现之一。世界著名材料学家图莎尔•戈什在同期Science发专文评述：其在仿生柔体机器人、可穿戴电子设备、柔性太阳能电池等新能源器件以及传感器等方面有巨大应用前景。并将该成果延伸应用到软体机器人的设计与制造。在储能材料及器件设计与制造方面：发现低温去溶剂化机理，突破低温对器件性能的影响，国际上首次将超级电容器、锂离子电池和钠离子电池稳定性能的工作温度拓展到零下100︒C。
        发表论文600余篇，其中SCI收录350余篇，EI收录460余篇，出版编著作5部，授权国家发明专利100余件。获国家科技进步二等奖1项，省部级科技奖10项（其中特等奖1项、一等奖2项）。现为中国微米纳米技术学会常务理事、中国仪器仪表学会微/纳器件与系统技术分会副理事长、中国机械工程学会摩擦学分会常务理事、固体润滑国家重点实验室学术委员会委员，《Sensors & Transducers Journal》、《摩擦学学报》和《friction》等学术刊物编委。