Umělé „svaly“ dosáhnout silné tažná síla

Jako okurka rostlina roste, to klíčky pevně stočený úponky, které vyhledávají podporuje v zájmu vytáhněte rostlin nahoru. Tím je zajištěno, že rostlina dostane co nejvíce slunečního záření. Nyní vědci z MIT našli způsob, jak napodobit tento navíjení-a-tahání mechanismus vyrábět smluvní vlákna, které by mohly být použity jako umělé svaly pro roboty, protézy, nebo jiné technické a biomedicínské aplikace.

Zatímco mnoho různých přístupů byly použity pro vytvoření umělé svaly, včetně hydraulické systémy, servomotory, tvarovou pamětí kovů a polymerů, které reagují na podněty, všechny mají omezení, včetně vysoké hmotnosti nebo pomalé odezvy. Nový systém založený na vláknech je naopak extrémně lehký a může reagovat velmi rychle, říkají vědci. O zjištěních dnes informuje časopis Science.

nové vláken byly vyvinuty MIT postdoka Mehmet Kanik a MIT postgraduální student Sirma Örgüç, práce s profesory Polina Anikeeva, Yoel Fink, Anantha Chandrakasan, a. C. Cem Taşan, a pět dalších, pomocí fiber-kreslení techniky kombinovat dvě odlišné polymery na jedno vlákno.

klíčem k procesu páření dohromady dva materiály, které mají velmi odlišné tepelné roztažnosti koeficienty — to znamená, že mají různé sazby expanze když jsou vyhřívané. Jedná se o stejný princip používaný v mnoha termostatech, například pomocí bimetalového pásu jako způsobu měření teploty. Jak se připojený materiál zahřívá, strana, která se chce expandovat rychleji, je zadržována druhým materiálem. Jako výsledek, lepeného materiálu kadeře nahoru, ohýbání směrem ke straně, která se rozšiřuje pomaleji.

úvěr: S laskavým svolením vědci

Pomocí dvou různých polymerů spojeny dohromady, velmi elastická cyklické kopolymeru elastomeru a mnohem tužší termoplastického polyetylénu, Kanik, Örgüç a kolegy vyrobené vlákno, které, když se natáhl na několika násobek původní délky, se přirozeně vytváří samo do těsné cívky, velmi podobné úponky, že okurky produkují. Ale to, co se stalo dál, bylo překvapením, když to vědci poprvé zažili. „Bylo v tom hodně serendipity,“ vzpomíná Anikeeva.

jakmile Kanik poprvé zvedl stočené vlákno, teplo jeho ruky způsobilo, že se vlákno pevněji stočilo. V návaznosti na toto pozorování, zjistil, že i malé zvýšení teploty by mohlo způsobit utažení cívky, produkovat překvapivě silnou tažnou sílu. Poté, jakmile teplota klesla, vlákno se vrátilo na původní délku. V pozdějším testování tým ukázal, že tento proces uzavírání a rozšiřování se může opakovat 10 000krát „a stále to bylo silné,“ říká Anikeeva.

úvěr: S laskavým svolením vědců

jedním z důvodů této dlouhověkosti je, že „vše funguje za velmi mírných podmínek“, včetně nízkých aktivačních teplot. K zahájení kontrakce vláken může stačit pouze zvýšení o 1 stupeň Celsia.

vlákna mohou mít širokou škálu velikostí, od několika mikrometrů (miliontin metru) po několik milimetrů (tisícin metru) na šířku a mohou být snadno vyráběna v dávkách až do stovek metrů. Testy ukázaly, že jediné vlákno je schopné zvedat zatížení až 650krát větší než jeho vlastní hmotnost. Pro tyto experimenty na jednotlivých vláknech vyvinuli Örgüç a Kanik specializovaná miniaturizovaná testovací nastavení.

Kredit: s Laskavým svolením vědci

stupeň utahování, který nastane, když vlákno je vyhřívané může být „naprogramován“ tím, že určení, kolik z počáteční úsek se dát na vlákno. To umožňuje, aby byl materiál vyladěn přesně na množství potřebné síly a množství změny teploty potřebné ke spuštění této síly.

vlákna jsou vyrobena pomocí systému tažení vláken, který umožňuje začlenit další komponenty do samotného vlákna. Tažení vláken se provádí vytvořením nadměrné verze materiálu, nazývané předlisek, který se pak zahřeje na specifickou teplotu, při které se materiál stává viskózním. To pak může být tažen, podobně jako tahání taffy, vytvořit vlákno, které si zachovává svou vnitřní strukturu, ale je malý zlomek šířky předlisku.

pro účely testování vědci pokryli vlákna oky vodivých nanočástic. Tyto sítě mohou být použity jako senzory k odhalení přesného napětí, které vlákno zažívá nebo vyvíjí. V budoucnu, tato vlákna by také mohla zahrnovat topení prvky, jako jsou optická vlákna nebo elektrody, poskytuje způsob vytápění je vnitřně, aniž by museli spoléhat na žádné vnější zdroje tepla pro aktivaci kontrakce „svalů.“

Taková vlákna by mohl najít využití jako servopohony, robotické paže, nohy, nebo chapadla, a v protetické končetiny, kde je jejich nepatrná hmotnost a rychlá odezva může poskytnout významnou výhodu.

Některé protézy se dnes může vážit až 30 liber, s hodně z váhy pocházející z akčních členů, které jsou často pneumatické nebo hydraulické; lehčí ovladačů může tak učinit život mnohem jednodušší pro ty, kteří používají protézy. Taková vlákna mohou také najít využití v malých biomedicínských zařízeních, jako je lékařský robot, který pracuje tak, že jde do tepny a poté je aktivován,“ navrhuje Anikeeva. „Máme aktivační časy v řádu desítek milisekund až sekund,“ říká.

poskytují větší sílu pro zvedání těžších břemen, vlákna mohou být spojeny dohromady, stejně jako svalová vlákna jsou dodávána v těle. Tým úspěšně testoval svazky 100 vláken. Prostřednictvím procesu tažení vláken by senzory mohly být také začleněny do vláken, aby poskytovaly zpětnou vazbu o podmínkách, se kterými se setkávají, například v protetické končetině. Örgüç říká, že svázaná svalová vlákna s mechanismem zpětné vazby s uzavřenou smyčkou by mohla najít aplikace v robotických systémech, kde je vyžadována automatizovaná a přesná Kontrola.

Kanik říká, že možnosti pro materiály tohoto typu jsou prakticky neomezené, protože téměř libovolnou kombinaci dvou materiálů s různou tepelnou roztažností sazby by mohlo fungovat, takže obrovské říše možné kombinace k prozkoumání. Dodává, že toto nové zjištění bylo jako otevření nového okna, jen aby bylo vidět „spoustu dalších oken“ čekajících na otevření.

„síla této práce vychází z její jednoduchosti,“ říká.

tým také zahrnuty MIT postgraduální student Georgios Varnavides, postdoka Jinwoo Kim a vysokoškolských studentů Thomas Benavides, Dani Gonzalez, a Timothy Akintlio. Práce byla podpořena Národním institutem neurologických poruch a mrtvice a Národní vědeckou nadací.