人为的“肌肉”实现强大的拉力



作为黄瓜植株生长,它发芽,为了向上拉厂寻求支持紧密卷曲的卷须。这确保了植物接收尽可能多的太阳光的照射成为可能。现在,研究人员在澳门太阳城官网(备用网站)已经找到一种方法来模仿这种卷取和拉机制产生收缩的纤维,可以用来作为人造肌肉机器人,假肢或其他机械和生物医学应用。

在光纤中的微小的线圈由澳门太阳城官网(备用网站)的研究人员开发蜷缩在热身得更紧。这将导致收缩,很像一个肌纤维的纤维。信用:菲菲弗兰克尔

而许多不同的方法已经被用于创建人工肌肉,包括液压系统,伺服马达,形状记忆金属,并且响应于刺激的聚合物,它们都具有局限性,包括高重量或缓慢的响应时间。新的基于光纤的系统,相反,极其轻便,能很迅速作出反应,研究人员说。结果今天被报道在杂志的 科学.

新纤维由澳门太阳城官网(备用网站)博士后穆罕默德kanik和澳门太阳城官网(备用网站)的研究生SIRMAörgüç开发,与教授波林娜anikeeva,约尔·芬克,anantha chandrakasan和c工作。 CEMtaşan,和其他五人,使用光纤拉制技术两种不同的聚合物组合成纤维的单链。

的关键过程被配合在一起的两种材料具有非常不同的热膨胀系数 - 这意味着它们有不同的膨胀速率,当他们被加热。这是在许多恒温器使用,例如,使用双金属条作为测量温度的一种方式相同的原理。作为连接材料加热,即要扩大较快的一侧被其他材料阻碍。其结果,结合的材料卷起,朝向正在扩大更慢的一侧弯曲。

信用:研究人员礼貌

使用键合的两个不同的聚合物一起,非常伸缩性的环状共聚物弹性体和硬得多热塑性聚乙烯,kanik,örgüç和他的同事所产生的是,当伸出到几次其原始长度,自然形成本身成紧线圈的纤维,非常相似的到黄瓜生产的卷须。但接下来发生的事情竟出乎当研究人员第一次经历吧。 “有很多在这个意外发现的,” anikeeva回忆说。

只要kanik拿起卷曲纤维的第一次,他的手温暖自己一手造成的纤维更紧密地蜷缩起身体。对观察随访,他发现,即使气温略有增加可能使线圈收紧,产生了意外强劲的拉力。然后,只要将温度回到下,纤维返回到其原始长度。在以后的测试中,研究小组发现收缩与膨胀的过程可以重复10000次“和它依然强劲,” anikeeva说。

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的原因是长寿之一,她说,是“一切都非常温和的条件下工作,”包括低活化温度。仅有1摄氏度增加可以是足以启动纤维收缩。

所述纤维可以跨越大范围的尺寸,从几微米(百万分之一米),以在宽度几毫米(一米的千分之一),并且可以容易地批量制造多达几百米长。测试已经示出,单个纤维是能够解除其自身的重量高达650倍的负载。对于单个光纤,örgüç和kanik这些实验已经开发出专用的小型测试设置。

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当被加热的纤维可以通过确定如何初始拉伸的多,得到纤维“编程”发生紧缩该程度。这允许材料被调谐到所需的力完全量,并触发该力所需要的温度变化的量。

纤维使用的是光纤拉制系统,这使得它可以将其它组分结合到纤维本身制成。纤维拉伸通过创建所述材料,称为预成型体,然后将其加热到使材料变得粘稠的特定温度的一个超大版本进行。然后它可以被拉动,很像拉太妃糖,以创建保持其内部结构,但是预型件的宽度的一小部分的纤维。

出于测试目的,研究人员涂上导电纳米线的网眼的纤维。这些网格可以用作传感器以显示经历或由纤维施加的张力准确。在将来,这些纤维还可以包括加热元件,例如光纤或电极,提供在内部加热,而不必依赖于任何外部热源来激活的收缩的方式的“肌肉”。

这样的纤维可以找到用途如在机器人手臂,腿,或夹持器,致动器和在假肢,其中它们的轻微的重量和快速的响应时间可以提供一个显著优点。

某些假肢今天可重达30磅,其中大部分从致动器,这往往是气动的或液压来的重量的;因此,重量更轻的驱动器可以使生活对于那些谁使用假肢容易得多。这种纤维还可能会发现细小的生物医学设备,如通过进入动脉,然后被激活工作的医用机器人的用途,” anikeeva建议。 “我们有几十毫秒到秒级的激活时间,”这取决于尺寸,她说。

到用于提升较重的载荷提供更大的强度,可以将纤维集束在一起,就像肌纤维在体内捆绑在一起。球队成功测试100个的纤维束。通过纤维拉伸过程,传感器也可在纤维中掺入提供关于他们遇到的条件下,例如在假肢反馈。 örgüç说捆绑肌纤维具有闭环反馈机制能找到在需要自动化和精确的控制机器人系统的应用。

kanik说,这种类型的材料的可能性几乎是无限的,因为几乎任何两种材料具有不同的热膨胀率的组合可以工作,留下的可能组合广阔的领域进行探索。他补充说,这个新的发现,就像打开一个新的窗口,只看到“一堆其他窗口”等待开启。

“这项工作的强度是由它的简单来了,”他说。

该团队还包括澳门太阳城官网(备用网站)研究生的Georgios varnavides,博士后jinwoo金,和本科生托马斯·贝纳维德斯,达尼·冈萨雷斯和Timothy akintlio。该工作是由神经系统疾病和中风和美国国家科学基金会的国家研究所的支持。