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人造肌肉发电

撰文/唯实  发表于 2019年04月02日

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?

 

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什么是人造肌肉?

科学家已经研制了一类电活性聚合物(Electroactive PolymerEAP)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200537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3EAP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。20062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59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220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)


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