顏慶雲教授和關鍵鏵博士展示以光驅動的「氫氧化鎳」。

 

為了開發微型與仿生機器人、醫療裝置及人工肌肉，科研人員過去30年一直研究不同方法，研製新型的驅動材料，取代過去必須借助的重型或大型發動機(摩打)和氣動驅動器。

由香港大學工程學院機械工程系物料科學及工程講座教授兼建滔基金教授(物料工程)顏慶雲教授率領的研究團隊，剛於美國東岸時間 2018年5月30日，在科學期刊Science Robotics發表了一篇研究文章，團隊研發出一種全新材料「氫氧化鎳」， 是可以以日常生活的可見光，電力或其他方法驅動。「氫氧化鎳」在光線照射下不單可以快速變形，更能提起相等於自身重量約3000倍的力。而這種材料製作成本很低，一般的「氫氧化鎳」成本低至每平方厘米港幣4元，並可在3小時內輕易製成。

在各種材料中，能以光驅動的材料對無線操作機器人的幫助至為有用；然而，過去光驅動的材料並不多，即使有也是生產成本高昂而難以在機器人、人體輔助裝置中的人工肌肉、微創手術和診斷工具等用途。

研究新的驅動材料被認為是「科學機器人的十大巨大挑戰」¹之首，因為一旦成功，將徹底改變機器人均須倚靠摩打驅動的基本設定。近年科學家競相研發通過溫度、濕度、磁場或光等變化來無線遙距驅動的材料，但到目前為止，尚未見到有團隊能以可見光驅動具有強力、快速和穩定性能的材料。是次港大工程學院研發出這種嶄新的驅動材料「氫氧化鎳」，只需要相對低強度的可見光驅動，便能產生出相當於哺乳類動物骨骼肌肉的力量和速度。

除了以光驅動外，「氫氧化鎳」也可以以電驅動，讓它可以與其他現成的機器人技術一併使用。其次，它對熱度和濕度的變化也有反應，因而可用於借用環境中微小能量變化來驅動的自動機器。這材料的主要成分是成本低的鎳金屬，其製造僅涉及電沉積這種簡單的步驟，而所需的時間只是約為3小時，可容易地在工業中大規模製造。

「氫氧化鎳」對光線幾乎作即時反應，並產生相等於其自身重量約3000倍的力（圖1）。

¹ Yang, Guang-Zhong, et al. "The grand challenges of Science Robotics." Science Robotics 3.14 (2018): eaar7650.

圖 1 重量為0.3毫克的「氫氧化鎳」驅動器，在間歇光照射下可以使出逾約1000毫克的驅動力。

 

透過良好的結構設計，由兩個驅動材料關節製成的「迷你手臂」可輕鬆地抬起相等於它自身重量50倍的物件（圖2）。同樣地，在一個光源和一個擋光板配合下間歇發光，讓「機械前腿」不斷彎曲及伸直，仿出走向光源的步伐，將有機會應用於未來研發微型機械人，作救災等用途。（圖3）。

圖2  由兩個驅動關節組成的「迷你手臂」在光照射下抬起它自身重量50倍的物件。

 

圖 3  小型步行機器人的「前腿」在光照射下伸直，其光擋板阻擋了光照射在「後腿」上讓它維持捲曲。因此小機器人只會向著光源步行。