นักวิจัยมหาวิทยาลย Rice University ใน Houston รัฐ Texas อเมริกา ค้นพบวิธีการทอเส้นใยเสื้อแบบใหม่ที่สามารถวัดอัตราการเต้นหัวใจของผู้สวมได้
-
โดยมีการใส่เทคโนโลยีที่เรียกว่า conductive carbon nanotube ที่เป็นอุปกรณ์หลักในการจับสัญญาณการเต้นชีพจรของหัวใจ
-
และยังไม่จบเพียงเท่านี้ เพราะทีมนักวิจัยเตรียมสายต่อเพิ่ม ด้วยการใช้แผ่น carbon nanotube ที่มีพื้นที่การสัมผัสกับผิวหนังเพิ่มพร่อมความหนาแน่นของท่อ carbon nanotube ที่สูงกว่า ทำให้สามารถตรวจจับสัญญาณได้ดีกว่าเดิม
-
งานนี้เราอาจไม่จำเป็นต้องพึ่งนาฬิกาสมาร์ตวอตช์อีกต่อไปแล้ว ในการวัดหัวใจเวลาออกไปวิ่ง หรือออกกำลังกายต่าง ๆ แค่สวมเสื้อตัวนี้แล้วเชื่อมต่อกับมือถือก็ใช้งานแทนได้เลย
-
ที่มา https://gadgets.ndtv.com/science/news/smart-shirt-heart-monitor-ecg-nanotube-fibre-clothing-fabric-rice-university-research-2525820
By RecCaz
carbon nanotube 在 台灣物聯網實驗室 IOT Labs Facebook 的最佳解答
人工肌肉重大突破登上《Science》,多國科學家聯合實現全新驅動機理
作者 雷鋒網 | 發布日期 2021 年 02 月 11 日 0:00 |
2021 年,機器人已經「成精」了,公然吵架、組團熱舞再也不是人類專屬。在許多人心裡,機器人還是僵硬、機械甚至冰冷,即便如此,技術日新月異,柔性機器人快速發展,我們對機器人的刻板印象也該打破了。
科學家設計的軟體機器人外形可謂五花八門,比如:
磁場驅動的軟體機器人,看上去像花瓣。
會奔跑、能游泳、能舉重物的「小獵豹」。
可用於軍事行動的隧道快速挖掘機器人。
其實,軟體機器人的設計往往與一種智慧材料有關:人工肌肉。最近這領域中國科學家聯合美、韓、澳等多國學者有了新突破。
相比傳統人工肌肉,這次設計出的人工肌肉有無毒、驅動頻率高(10Hz)、驅動電壓低(1V)、高比能量(0.73~3.5J/g)、高驅動應變(3.85~18.6%)、高能量密度(高達 8.17W/g)特性。
奈米碳管線為何物?
2021 年 1 月 29 日,題為「Unipolar-Stroke, Electroosmotic-Pump Carbon Nanotube Yarn Muscles」(單極衝程、電滲泵奈米碳管線肌肉)的論文發表於著名學術期刊《科學》(Science)。
論文出自哈爾濱工業大學(複合材料與結構研究所)、江蘇大學(智慧柔性機電研究所)、常州大學(江蘇省光伏科學與工程協同創新中心)、美國德州大學達拉斯分校、伊利諾大學厄巴納香檳分校、南韓漢陽大學、首爾大學、澳洲臥龍崗大學、迪肯大學等團隊。
論文題目有個看起來高深的詞「奈米碳管線」(Carbon nanotube yarns)。談研究細節前,先來解決一個問題:奈米碳管線為何物?
奈米碳管線源自奈米碳管,這是具特殊結構的一維量子材料,徑向尺寸為奈米量級、軸向尺寸為微米量級、管子兩端基本都有封口。外形上,它是由呈六邊形排列的碳原子構成的數層同軸圓管,層與層之間的固定距離約 0.34 奈米,而圓管的直徑一般為 2~20 奈米。
據了解,奈米碳管為一維奈米材料,重量輕、有完美連接結構,因此有獨特力學、電學、化學性能。基於這些特性,奈米碳管線也應運而生。據字面意思可知,這是透過拉伸和鬆弛、碳基奈米管纖維製成的緊密絞合線。
不同於普通線,奈米碳管線其實是種超導體,還可當電池使用。早在 2011 年,德州大學就與美國企業展開合作,致力將奈米碳管線推向市場。
2017 年,德州大學達拉斯分校又研製出名為 Twistron 的奈米碳管線。
研究團隊的李娜博士受訪時表示:
這些線本質上是種超級電容器,但無需外加電源充電。因奈米碳管與電解質的化學電勢不同,當線浸入電解質時,一部分電荷會嵌入。線拉伸時,體積減小,使電荷相互靠近,電荷產生的電壓增高,從而獲得電能。
2014~2016 年,哈爾濱工業大學博士生楚合濤至德州大學達拉斯分校接受訓練,正是自那時起,哈爾濱工業大學冷勁松教授課題組與德州大學達拉斯分校 Ray H. Baughman 教授課題組,開始了有關奈米碳管線人工肌肉的研究。
這次正是博士畢業生的楚合濤為論文共同作者之研究。
人工肌肉性能達到新突破
那麼,奈米碳管線和人工肌肉之間,又有什麼關係?
論文介紹,滲透離子(不論正負)會影響著長度、直徑的變化,因此奈米碳管線可用作電化學致動器。據悉,奈米碳管線人工肌肉是典型的智慧材料,主要透過熱、電化學兩種方式驅動,兩種驅動方式有差別。
根據熱力學定律,熱驅動受卡諾循環效率(Circulation efficiency in Kano,一高溫熱源溫度 T1 和一低溫熱源溫度 T2 的簡單循環)制約──比電化學驅動能量轉換效率更高,有更廣闊的應用前景。
基於這點,研究團隊構建全固態肌肉(all-solid-state muscle)。透過向線滲透帶電聚合物,纖維開始部分膨脹,隨著離子損失長度會增加,增加肌肉的總衝程。
哈爾濱工業大學表示,研究人員首次發現透過聚電解質功能化的策略,可達成人工肌肉智慧材料的「雙極」(Bipolar)驅動轉變為「單極」(Unipolar)驅動(如下圖),同時發現人工肌肉隨電容降低、驅動性能增強的反常現象(Scan Rate Enhanced Stroke,SRES)。
研究人員發現這些效果:
做到單一離子嵌入、嵌出的「單極」效應,解決「雙極」效應反向離子的嵌入、嵌出引起的性能降低問題,提高工作效率與能量密度等性能;
人工肌肉隨掃描速率增加,驅動性能增加,解決了傳統人工肌肉驅動性能的電容依賴性問題。
哈爾濱工業大學認為:
此重要突破解決了人工肌肉驅動性能的電容依賴性問題,為後續設計具有無毒、低驅動電壓的高性能驅動器提供新的理論基礎。
值得一提的是,此突破在空間展開結構、仿生撲翼飛行器、可變形飛行器、水下機器人、柔性機器人、可穿戴外骨骼、醫療機器人等領域有巨大的應用潛力。
關於作者
早在 1990 年代初,哈爾濱工業大學複合材料與結構研究所就確立智慧材料與結構的研究方向。哈工大在這領域的探索離不開一個名字──冷勁松。
冷勁松畢業於哈爾濱工業大學複合材料專業,2004 年起擔任哈工大航天學院複合材料與結構研究所教授、博班導師。
1992 年起,冷勁松就開始開展智慧材料系統和結構的研究,主要研究方向包括智慧材料系統和結構系統、光纖傳感器、結構健康監控、複合材料結構設計和工藝技術、可變翼飛行器、結構振動主動控制、光纖通訊和微波光電子器件、微機電系統等等。
另外,冷勁松也在 International Journal of Smart & Nano Materials 擔任主編,《Smart Materials & Structures》和《Journal of Intelligent Material Systems and Structures》等國際雜誌擔任副主編。2006 年入選中國教育部新世紀優秀人才計劃,2007 年入選長江學者特聘教授,2018 年當選歐洲科學院物理與工程學部外籍院士(Members of the Academia Europaea)。
論文通訊作者之一正是冷勁松。
2020 年 3 月 4 日,冷勁松教授團隊與美國馬里蘭大學 Norman M. Wereley 教授團隊的共同研究成果發表於國際著名期刊《Soft Robotics》,展示受象鼻啟發、可伸展/收縮的氣動人工肌肉基礎上設計的新型彎曲螺旋可伸展/收縮氣動人工肌肉(HE-PAMs / HC-PAMs)。
這次研究,將使團隊在人工肌肉方面的探索更深入。
資料來源:https://technews.tw/2021/02/11/unipolar-stroke-electroosmotic-pump-carbon-nanotube-yarn-muscles/
carbon nanotube 在 มติพล ตั้งมติธรรม Facebook 的最佳貼文
Space Elevator ลิฟท์อวกาศ ทางออกของการเดินทางไปอวกาศในอนาคต?
เมื่อไม่นานมานี้ ยานอวกาศ SpaceX เพิ่งได้ส่งมนุษย์อวกาศไปยังสถานีอวกาศ นับว่าเป็นการเปิดศักราชใหม่แห่งการเดินทางไปอวกาศโดยภาคเอกชน สามารถอ่านเพิ่มเติมเกี่ยวกับข่าวนี้ และความสำคัญของมัน ได้ที่ [2]
แต่แม้กระนั้นก็ตาม การเดินทางไปยังอวกาศก็นับเป็นเรื่องที่ค่อนข้างแพงเกินกว่าที่มนุษย์ธรรมดาอย่างเราๆ จะเอื้อมถึง และไม่ว่าเทคโนโลยีจรวดจะพัฒนาไปก้าวไกลเพียงใด การส่งจรวดก็จะยังคงเป็นการเดินทางที่ใช้เชื้อเพลิงและสิ้นเปลืองมากอยู่ดี
แต่ในอนาคตอันไกล ทางออกนึงที่อาจจะเป็นไปได้ ก็คือการสร้าง Space Elevator หรือ "ลิฟต์อวกาศ"
Space Elevator เป็นวิธีหนึ่งที่เราสามารถที่จะส่งมนุษย์หรือสัมภาระไปยังอวกาศได้โดยที่ไม่ต้องใช้เครื่องบิน ไอเดียนี้ถูกเสนอขึ้นมาครั้งแรกในปี 1895 โดยนักวิทยาศาสตร์การบินชาวรัสเซีย Konstantin Tsiolkovsky
แม้ว่าคอนเซปต์ของ Space Elevator นั้นฟังดูราวกับจะหลุดออกมาจากนิยายวิทยาศาสตร์ แต่ก็เป็นไอเดียที่แสนเรียบง่าย โดยหลักการก็คือการสร้างหอคอยที่มีความสูงมากๆ เสียจนสามารถไปถึง Geosynchronous orbit ที่ความสูง 35,786 กม. ซึ่งบริเวณนั้นด้วยอัตราการหมุนของโลก จะทำให้แรงหนีศูนย์กลางหักล้างกับแรงโน้มถ่วงพอดี เราจึงสามารถสร้างห้องทดลองที่อยู่ในสภาวะไร้น้ำหนักถาวรได้ และเราสามารถส่งมนุษย์ขึ้นไปยังสถานีได้โดยการใช้ลิฟต์สักตัวหนึ่งที่ "ไต่" ขึ้นลงไปตามโครงสร้างของ space elevator นี้
แต่ปัญหาแรกของไอเดียนี้ก็คือ หากเราสร้างเป็นลักษณะของ "หอคอย" ขึ้นมา เราจะพบว่าเมื่อเราสร้างหอคอยได้สูงพอ วัตถุทุกชนิดที่เรารู้จักจะพังลงมาภายใต้น้ำหนักของตัวเอง เนื่องจากว่าไม่มีวัตถุใดที่เรามีอยู่บนโลก ณ ตอนนี้ ที่สามารถทนแรงบีบอัดที่เกิดจากน้ำหนักของตัววัตถุเองที่ความสูงระดับนั้นได้ และเราไม่สามารถสร้างเสาให้ใหญ่ขึ้น หรือมากขึ้นได้ เพราะยิ่งใช้เสามากน้ำหนักที่จะต้องแบกก็จะยิ่งต้องมากเกินไปอีก
แต่วิธีแก้หนึ่งที่เป็นไปได้ ก็คือการเปลี่ยนจาก "แรงบีบอัด" (compressive strength) ให้กลายเป็น "แรงดึง" (tensile strength) ซึ่งหลักการเดียวกับการสร้างสะพานแขวนที่มีระยะระหว่างตอม่อที่ยาวกว่าสะพานปรกติได้ เนื่องจากเรามีวัตถุที่ทนต่อแรงดึงต่อน้ำหนักของวัตถุ ได้ดีกว่าแรงบีบอัด และเราก็มีการพัฒนาเทคโนโลยีในการผลิตวัสดุที่ทนต่อแรงดึงได้ดีขึ้นเรื่อยๆ
เราสามารถเปลี่ยนจากแรงบีบอัดที่เกิดจากน้ำหนักของวัตถุ ให้กลายเป็นแรงดึงได้ โดยการยึดปลายอีกข้างของ space elevator เข้ากับมวลใหญ่สักก้อน ซึ่งอาจจะเป็นโครงสร้างสถานีปลายทางขนาดยักษ์ หรืออุกกาบาตสักก้อน ที่อยู่สูงออกไปเลยพ้น geosynchronous orbit ณ ตำแหน่งซึ่งการถูกเหวี่ยงไปรอบๆ โลกด้วยคาบ 1 รอบ/วัน จะทำให้เกิดแรงดึงที่จะหักล้างกับแรงโน้มถ่วงของมวลที่อยู่เบื้องล้างทั้งปวง ทำให้โครงสร้างนี้โดนดึงให้ตึงอยู่ตลอดเวลา แทนที่จะพังลงมาภายใต้น้ำหนักอันมหาศาลของโครงสร้างนี้
ซึ่งวัสดุปัจจุบันที่มี tensile strength ต่อน้ำหนักดีที่สุด ก็คือ carbon nanotube ซึ่งในเทคโนโลยีปัจจุบันนี้นั้นมีคุณสมบัติใกล้เคียงกับที่เราต้องใช้ในการทนแรงดึงที่จะต้องใช้ในการสร้าง space elevator จากพื้นโลกของเรา แม้ว่าในปัจจุบันเรายังมีขีดจำกัดในการสร้าง carbon nanotube ในขนาดที่ใหญ่ แต่เชื่อว่าในอนาคตอันใกล้เราอาจจะสามารถพัฒนา carbon nanotube ที่ทนต่อแรงดึงได้มากกว่านี้ และพัฒนาวิธีกรรมการผลิตที่สามารถใช้ได้จริงในสเกลที่ใหญ่เพียงพอ space elevator จึงอาจจะเป็นอนาคตที่อาจจะไม่ได้ไกลอย่างที่คิด
ในทางด้านงานวิจัยนั้น NASA Institute for Advanced Concepts (NIAC) ที่ให้ทุนวิจัยแก่งานวิจัยที่ล้ำหน้า ได้ให้ทุนสนับสนุนเพื่อวิจัยถึงความเป็นไปได้ของการสร้าง space elevator โดย Bradley C. Edwards และได้เสนอถึงความเป็นไปได้ที่จะใช้ carbon nanotube เป็นแผ่นบางๆ คล้ายริบบิ้น พร้อมกับรายละเอียดอื่นๆ เช่น สถานที่สำหรับจุดยึดบนพื้นดิน ระบบป้องกันอุกกาบาต พายุ ฯลฯ
ในปี 2008 Shuichi Ono, ประธานของ Japan Space Elevator Association ได้ประมาณถึงค่าใช้จ่ายขั้นต่ำในการสร้าง space elevator เอาไว้อยู่ที่ประมาณล้านล้านเยน (3 แสนล้านบาท)
ในปี 2012 บริษัท Obayashi Corporation ได้ประกาศว่าพวกเขาจะสามารถสร้าง space elevator ได้ในอีก 38 ปี โดยจะใช้ climber ปีนไปตามสายเคเบิล carbon nanotube ด้วยความเร็ว 200 กม./ชม. และด้วยความเร็วไฮสปีดขนาดนี้ จะเดินทางไปถึง geosynchronous orbit โดยใช้เวลาเพียงหนึ่งอาทิตย์เพียงเท่านั้นเอง อย่างไรก็ตามการเสนอของบริษัทนี้ไม่ได้มีการประเมินราคารวมไปถึงรายละเอียดอื่นๆ จึงน่าจะเป็นเพียง publicity stunt ของบริษัทเพื่อเรียกยอดเท่านั้นเอง
ในปี 2014 แม้กระทั่ง google เอง ก็ได้มีการสร้างทีมพิจารณาความเป็นไปได้ถึงการสร้าง space elevator โดยทีม Google X's Rapid Evaluation R&D แต่กลับได้พบว่าในปัจจุบัน ยังไม่มีใครที่สามารถสร้าง carbon nanotube ที่ยาวกว่าหนึ่งเมตรได้ จึงได้พับเก็บโครงการนี้เอาไว้ก่อนในสถานะ "deep freeze" แต่จะคอยติดตามงานวิจัยใหม่ๆ เกี่ยวกับ carbon nanotube และพร้อมที่จะขุดกลับขึ้นมาทุกเมื่อ
ในปี 2018 นักวิจัยจาก Shizuoka University ได้ปล่อย STARS-Me ออกจากสถานีอวกาศนานาชาติ (ISS) ซึ่งประกอบขึ้นจากดาวเทียม cubesat สองอันที่ยึดโดยสายเคเบิล เพื่อศึกษาต้นแบบของตัว climber ที่อาจจะนำมาใช้ใน space elevator ในอนาคต
ซึ่งการสร้าง space elevator นี้ นอกจากจะทำให้การเดินทางไปอวกาศ และศึกษาสภาพไร้น้ำหนักเป็นเรื่องที่ง่ายและใช้ต้นทุนที่ต่ำกว่ามากแล้ว ยังเปิดโอกาสให้เราสามารถขนชิ้นส่วนของยานอวกาศขนาดยักษ์ไปต่อในวงโคจร และนอกไปจากนี้เรายังสามารถนำมันมาใช้ในการยิงยานสำรวจเพื่อไปสำรวจในระบบสุริยะได้อีกด้วย
ซึ่งเราก็ต้องรอดูกันต่อไปว่า space elevator นี้จะเป็นเพียงนิยายวิทยาศาสตร์ หรืออาจจะเป็นความจริงขึ้นมาได้ในอนาคตอันใกล้นี้
อ้างอิง/อ่านเพิ่มเติม:
[1] https://en.wikipedia.org/wiki/Space_elevator
[2] https://www.facebook.com/matiponblog/photos/a.255101608033386/1312573475619522/
carbon nanotube 在 Carbon nanotubes – what they are, how they are made, what ... 的相關結果
Carbon nanotubes are cylindrical molecules that consist of rolled-up sheets of single-layer carbon atoms (graphene); they possess unique properties like ... ... <看更多>
carbon nanotube 在 Carbon Nanotubes - an overview | ScienceDirect Topics 的相關結果
Carbon nanotubes (CNTs) are cylindrical large molecules consisting of a hexagonal arrangement of hybridized carbon atoms, which may by formed by rolling up ... ... <看更多>
carbon nanotube 在 奈米碳管- 維基百科,自由的百科全書 的相關結果
奈米碳管(英語:Carbon Nanotube,縮寫為CNT)是在1991年1月由日本筑波NEC實驗室的物理學家飯島澄男使用高分辨透射電子顯微鏡從電弧法生產碳纖維的產物中發現的。 ... <看更多>