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氫氣驅動機器水母誕生!

美國研究人員研發出一種能模仿水母運動的機器水母(Robojelly),具有由奈米碳管(carbon nanotube)所打造的人工肌肉並且可使用外部氫氣能源。其廣泛的用途涵蓋了科學、軍事以及商業海洋運輸等。

這個由維吉尼亞理工學院以及德州大學達拉斯分校共同設計製作的機器水母,是第一個成功藉由外部氫氣作為燃料來源的水下機器。以氫氣為能源的優點在於燃燒後僅會產生水,而對遠洋載具尤其有利的是,氫氣可利用太陽能從海水中取得。

機器水母的核心部位是採用市售鎳鈦形狀記憶合金(shape-memory alloy, SMA),這是一種形變後可利用加熱恢復原狀的材料。此 SMA 以奈米碳管層包覆,而其上所鍍之鈦粒子則作為氫氧反應的催化劑。氧化反應所產生的熱能可讓 SMA 恢復原狀,而質輕、強韌又多孔的奈米碳管可使氫氣與氧氣易於接觸催化劑,且其優良的導熱性讓熱能得以迅速進出 SMA 系統。

此機器水母的傘狀結構巧妙地模擬一般水母的推進方式,其鐘形軀體由矽膠構成並以 8 條彈性鋼肋所支撐,細繩從鐘形軀體邊緣沿著鋼肋直抵中心的滑輪,然後進入裝有 SMA 致動器的管子。在其中一個設計中,所有細繩皆連接至一個中心 SMA 致動器,另一種設計則是有 8 個獨立的致動器控制各細繩,後者的優點在於能操縱機器水母往不同方向移動。

此機器水母的運動機制是藉由通入固定量的氫氣與氧氣使其反應,SMA 受熱後造成合金形變並拉動細繩,導致鐘形軀體拍動而推進。當 SMA 冷卻時,記憶合金的恢復力則會使其往另一方向拍動,整個循環過程耗時不到 10 s。該團隊測量此鐘型軀體的形變率約為 14%,相形之下以電能驅動時可達 29%,而真實水母更高達 42%。該團隊目前正著手優化系統效能,詳見 Smart Materials and Structures 21, 045013 (2012)。

譯者:莫偉呈(茂迪太陽能)
責任編輯:劉家銘
原文網址:Robot jellyfish fuelled by hydrogen—physicsworld.com [2012-03-21]

本文來自 NanoScience 奈米科學網 [2012-04-08]

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