用便宜的尼龍線製作人造肌肉！

※器材：尼龍線（串珠線或釣魚線）、砝碼、電鑽、迴紋針

我們的肌肉在使用時必須收縮，也就是說肌肉在用力時比較短，放鬆時比較長，。因此要研發人造肌肉，必須找到作用時（例如通電、加熱或加壓）長度會變短的物質。本實驗可以將尼龍線（串珠線或釣魚線）做成符合這項要求的人造肌肉喔！製作方法與注意事項如下：

1.基本方法是要將尼龍線以電鑽旋轉捲曲，如圖一。首先剪一段長約一公尺的尼龍線，一端穿進電鑽的頭部，並轉緊固定，如圖一右。

2.尼龍線另一端綁在迴紋針上面，如圖一左，再以棉線綁在砝碼頭部，並將竹筷穿過迴紋針。使用竹筷的目的是為了避免電鑽旋轉時，尼龍線跟著一起旋轉。請注意砝碼的質量決定了是否能製作成功！作者的經驗是：直徑6毫米的尼龍線，要搭配500公克砝碼。直徑4毫米的尼龍線，則要用250公克的砝碼。

3.完成後，整個裝置緊貼牆壁或黑板，打開電鑽開始旋轉，如圖一中。當尼龍線被旋轉到某個程度之後，尼龍線會開始扭曲成彈簧狀（如同繞圈圈的電話線），如圖二。彈簧狀有時從電鑽頭部往下延伸，有時則由下往上延伸。

4.上述捲曲過程如果尼龍線斷掉，代示砝碼太重了，要減輕重量。如果形成如圖五的扭曲狀，不是一條的彈簧狀，代表砝碼太輕了，要再增加重量。

5.尼龍線捲曲成彈簧形狀之後，其長度可視需要來決定停止轉動時間。但無論如何，頭尾都要預留一些長度，以便於進行後續實驗時，用來捆綁固定。

完成製作後，就可以開始試驗人造肌肉的性質了。首先是長度變化，裝置如圖四，將釣魚線以重物（例如砝碼）懸吊著，並綁上一根指針（使用拉直的迴紋針），指針指在約18.5公分（圖四右放大圖）。然後以吹風機對著人造肌肉吹熱風（小的風量即可），結果指針會往上移動，顯示人造肌肉收縮了！作者以直徑6毫米的串珠線製作的實驗結果，往上收縮了約一公分，收縮率約11%。其他的功能試驗，包括承載重量，Haines等人（2014）的研究結果發現，用釣魚線製作的人造肌肉，承載重量超過人類的肌肉一百倍！

觀看實驗影片（16.2M） 

人體的肌肉包括了：骨骼肌、 平滑肌和心肌三種，當我們進行所有體育活動（有意識的身體運動），都是骨骼肌（skeletal muscles）「收縮」的結果。人體共有600多條骨骼肌，佔全身重量大約40%。因此研發具有骨骼肌收縮功能的實用替代品，成為很重要的課題。以尼龍線製作人造肌肉具有便宜、製作簡易、性質與功能優異的優點，例如Haines等人（2014）的研究成果，發現收縮率可以達到49%！

有關尼龍線受熱的長度變化，必須先說明纖維的產品，可分為單絲與複絲。「單絲（monofilament）」是生產過程以單孔噴絲頭所製得的單根長絲；「複絲（multifilament）」是用多孔噴絲頭（可能多達50孔）進行紡絲。Haines等人（2014）的研究使用的是複絲，因此製作人造肌肉時，牽涉到電鑽的旋轉方向和複絲纏繞的方向是順向或反向的問題。如果是順向，加熱時會收縮；而反向則是加熱時會增長。

作者購買串珠線以及便宜的釣魚線，實驗結果發現，無論電鑽的旋轉方向為何，全部都是加熱收縮，顯示買到的尼龍線都是單絲結構。Mirvakili等人（2014）針對單絲纖維的受熱收縮，提出的解釋如圖五，尼龍纖維的基本組成是一種具有方向性的鏈狀聚合物，當加熱後溫度上升，雖然纖維的直徑增加（藍色虛線箭頭），但是其絲狀結構則會因為扭曲而收縮，因此整體的長度變短。

1.如果有烘箱設備，建議可以進行熱處理：將剛製作好的人造肌肉綁在竹筷上固定，放入烘箱中烘烤，溫度達180度時再取出，放入水中急速冷卻。

2.為了方便製作人造肌肉時，不必考慮電鑽的旋轉方向，並達成「受熱收縮」的目的，建議購買串珠用的尼龍線即可，售價也比較便宜。（註：因為釣魚線有可能是複絲結構，會因電鑽旋轉方向的不同，受熱時可能伸長）

3.教學上可以指導國小高年級以上學生進行以下活動：(1)製作人造肌肉時，不同直徑的尼龍線懸掛的砝碼質量，應該分別為何？(2)製作的人造肌肉，受熱收縮的長度比率為何？(3)用小寶特瓶裝水當砝碼，測量人造肌肉最大的承載重量是多少呢？(4)用人造肌肉設計：晚上緊閉的窗戶，陽光照射後會自動打開！

1.張家銘、譚天、吳峻綸。（2015）。人造肌肉。中華民國第55 屆中小學科學展覽會（高中組物理科）。

2. iFuun。MIT研發出最便宜人工肌肉：主要成分竟是尼龍纖維。http://www.ifuun.com/a20161126654447/

3. Haines, C. S., et al. (2014). Artificial muscles from fishing line and sewing thread. Science, 343, 868-872.

4. Mirvakili, S. M., et al. (2014). Simple and strong: Twisted silver painted nylon artificial muscle actuated by Joule heating. Electroactive Polymer Actuators and Devices (EAPAD).

5. YouTube. Muscles made of nylon.  https://www.youtube.com/watch?v=Q3GG4JJQRQA

6. YouTube. Artificial muscle fibre. https://www.youtube.com/watch?v=Za0VeU9Ov7A