互动科普

在美国佛罗里达州的坦帕海湾，离海岸不远处的海面上放置了世界上第一台人造肌肉发电航标灯。这盏由美国SRI公司设计制造的近海岸航标灯开创了人造肌肉发电的先河。什么是人造肌肉，它如何发电，能否作为未来的可再生能源？

什么是人造肌肉？

科学家已经研制了一类电活性聚合物（Electroactive Polymer，EAP）人造肌肉材料。在外部加电刺激下具有自然肌肉的能力，所以科学家称之为“人造肌肉”。用这种材料可以构建柔软的运动装置，在难以安装传统电动机的地方，它们就可以大显身手了。现在，对EAP材料的研究取得了不少可喜的成就，在许多领域都能派上用场，比如医疗、机器人、航空、汽车、娱乐、玩具、衣服、噪音控制、换能器以及发电机等。

特别值得一提的是人造肌肉手臂比赛。1999年，美国宇航局（NASA）喷气推进实验室（JPL）的约瑟夫·巴柯亨（Yoseph Bar-Cohen）向全世界的科学家和工程技术人员提出了一项挑战性的课题，看谁最先制造出人造手臂，在与人掰手腕时能够获胜。6年后的2005年3月7日，在美国圣地亚哥的NASA喷气推进实验室举行了第一次人与人造肌肉手臂掰手腕的国际比赛。参加比赛的一方为17岁美国女中学生潘娜·菲尔森，另一方则分别是美国和瑞士制造的3只EAP材料人造肌肉手臂。比赛结果是，所有人造手臂都没有坚持到26秒钟，就被打败了。显然，现今的人造手臂在力量方面还远不能与人的手臂相抗衡。2006年2月，对美国3家机构制造的3只人造手臂进行了测量。结果，3只人造手臂不论是拉力还是拉扯速度，都要比潘娜·菲尔森的手臂低两个数量级。

人造肌肉如何发电

尽管人造手臂还有很长的路要走，但用EAP发电前景乐观。将一块介电EAP弹性体材料的上下两面镀上可以收缩的导电涂层，然后加上电压，使EAP材料的一面带正电，另一面带负电，于是产生所谓的麦克斯韦力，这种力使得EAP弹性体在平面方向上产生膨胀，而厚度减少。

EAP人造肌肉发电的原理实际上就是上述EAP做功的相反过程。EAP发电过程相当于EAP弹性体被当作一个可变电容器，当它在外力作用下处于伸展状态，厚度减小而面积增加，即处于高电容状态时，电荷聚集在其上；而当外力去除后，由于EAP的弹性力作用产生收缩，厚度增加而面积减小，此时为低电容状态，电荷流出形成电流。如此往复，EAP就在机械力的作用下变成了发电机。

人造肌肉波浪发电

人造肌肉波浪发电航标灯的核心部分是其中的EAP部件，它是用EAP片滚成夹层式中空圆柱形结构。两端的电极用含导电物质的一种油脂聚合物做成。中空圆柱形的EAP在波浪驱动力的作用下变薄，于是两电极间的间距变小。开始时，由装置中的小电池在电极间加上电压，EAP因弹性力回到其原有状态，使得两电极又分开，因而电极间的电压增加。过剩的能量就产生了电流。一部分电流反馈到系统中，所以加载电极上的电池只要在开始使用一次。

在总重150克的EAP受到平均高为0.8米海浪的冲击作用下，可以发出20焦耳的电力。而发电装置每4秒钟受海浪冲击一次，所以持续输出的能量大约是5瓦。这些电能足够用来点燃航标灯中的LED灯。

人造肌肉步行发电

平时人们在走路时，脚后跟与地面之间会产生机械冲击作用，正是由于这种冲击作用所产生的热，使得冬天里冰冷的两脚暖和起来，在夏天则感到两脚发热。人造肌肉步行发电正是利用了平时人们走路耗掉的能量。

这种小型人造肌肉发电机首先由美国SRI公司为美国军方研制，放置于军用靴后跟中。它是将数层EAP膜片安装在装满液体或凝胶的波纹管中，然后再将波纹管放置在钢质支架之间，两边的两条电线分别连接到EAP弹性体每个面的电极上。发电机安装在靴子后跟中挖出的洞中，然后盖上鞋后跟橡胶盖片。走路时，鞋后跟受压，使波纹管压缩，EAP膜片加上了压力，因而两个电极上就会产生电压。

在美国军方规定军用鞋鞋跟压缩量为3毫米的前提下，这种鞋跟步行发电机的输出能量为每步0.4焦耳。按照每秒钟两步算，那么，鞋子产生的功率为0.8瓦。测试表明，这种材料的寿命至少有10万次，设计和制作加以改进后，他们认为寿命超过100万次不成问题，这足以满足商业鞋类的要求。如果鞋跟所允许的压缩量达到5～9毫米的话（普通鞋类），那么它们预计能产生1瓦的发电量。预计发电量可进一步增加到2～20瓦，这方面的研究仍在继续。

这种步行发电有着多方面的用途，比如惯性导航、紧急备用电源、士兵用收音机、无线电设备和计算机电源、暖脚器、ID信号灯、化学生物探测器，为节省重量和空间而能够装在长统靴中的装置供电，以及具有防止伤害、改善舒服程度和更为有效地负荷的特殊用途鞋类等等。

目前，人造肌肉波浪发电和步行发电已经有了试验型产品。今后的任务就是进一步完善和提高加大发电功率和能力，用这一崭新的无污染或少污染的可再生能源，为人类的生产和生活做出贡献。

（本文发表于《科学世界》2009年第7期）