人工的な”筋肉”は強力な引っ張り力を達成する
キュウリの植物が成長するにつれて、それは植物を上に引っ張るためにサポートを求めるしっかりと巻かれた巻きひげを発芽させる。 これは植物が可能ように同様に多くの日光の露出を受け取ることを保障する。 今、MITの研究者は、ロボット、義肢、または他の機械的および生物医学的用途のための人工筋肉として使用することができる収縮繊維を生成するために、この巻き引っ張り機構を模倣する方法を発見しました。
油圧システム、サーボモータ、形状記憶金属、刺激に応答するポリマーなど、人工筋肉の作成には多くの異なるアプローチが使用されていますが、それらはすべて、高重量または遅い応答時間などの制限があります。 これとは対照的に、新しいファイバーベースのシステムは非常に軽量で、非常に迅速に対応することができます、と研究者は言います。 この調査結果は、今日Science誌に報告されています。
この新しい繊維は、MITポスドクのMehmet KanikとMIT大学院生のSirma Örgüçによって開発され、Polina Anikeeva教授、Yoel Fink教授、Anantha Chandrakasan教授、C.Cem Tağan教授ら5人と協力して、2つの異なるポリマーを一本の繊維に結合する繊維描画技術を用いていた。
プロセスの鍵は、非常に異なる熱膨張係数を有する二つの材料を一緒に交配することです—つまり、それらが加熱されるとき、それらは異なる膨張率 これは、温度を測定する方法としてバイメタルストリップを使用するなど、多くのサーモスタットで使用されるのと同じ原理です。 接合された材料が熱すると同時に、より速く拡大したいと思う側面は他の材料によって握られる。 その結果、結合された材料はカールし、よりゆっくりと拡大している側に向かって曲がる。
クレジット: 研究者の礼儀
は、非常に伸縮性のある環状コポリマーエラストマーとはるかに硬い熱可塑性ポリエチレンを結合した二つの異なるポリマーを使用して、Kanik、Örgüçらは、元の長さの数倍に伸ばしたときに自然にタイトなコイルに形成され、キュウリが生産する腱に非常によく似た繊維を生産した。 しかし、次に起こったことは、研究者が最初にそれを経験したときに実際には驚きでした。 “これには多くのセレンディピティがありました”とAnikeevaは回想しています。
カニックがコイル状の繊維を初めて拾い上げるとすぐに、彼の手の暖かさだけで繊維がより緊密にカールする原因となった。 その観察に続いて、彼は温度のわずかな上昇でさえコイルを締め上げることができ、驚くほど強い引っ張り力を生み出すことを発見した。 その後、温度が下がるとすぐに、繊維は元の長さに戻りました。 後のテストでは、チームはこの契約と拡大のプロセスを10,000回繰り返すことができることを示しました”そして、それはまだ強くなっていました”とAnikeeva氏は
クレジット: 研究者の礼儀
その長寿の理由の1つは、低い活性化温度を含む「すべてが非常に中程度の条件下で動作している」ということです。 繊維の収縮を開始するには、摂氏1度の増加だけで十分です。
繊維は、数マイクロメートル（百万分の一メートル）から数ミリメートル（千分の一メートル）の幅まで、幅広いサイズに及ぶことができ、長さ数百メートルまでのバッチで容易に製造することができる。 テストは単一繊維が自身の重量650倍までの負荷を持ち上げることができることを示しました。 個々の繊維のこれらの実験のために、ÖrgüçおよびKanikは熱心な、小型化されたテストの組み立てを開発した。
クレジット：研究者の礼儀
繊維が加熱されたときに起こる締め付けの程度は、繊維を与えるためにどのくらいの初期ストレッチを決定することに これにより、必要な力の量とその力を引き起こすのに必要な温度変化の量に正確に材料を調整することができます。
繊維は繊維引き抜きシステムを用いて作られており、繊維自体に他の成分を組み込むことが可能である。 繊維のデッサンは材料が粘性になる特定の温度に熱されるプリフォームと呼ばれる材料の特大版の作成によって行われます。 それは内部構造を保つが、プリフォームの幅のごく一部である繊維を作成するために、tafyの引きのようなそれから、多く引っ張ることができる。
実験目的で、研究者らは繊維に導電性ナノワイヤのメッシュを塗布した。 センサーとしてこれらの網が繊維によって経験されるか、または出る厳密な張力を明らかにするのに使用することができる。 将来的には、これらの繊維はまた、光ファイバや電極などの加熱要素を含むことができ、外部の熱源に依存せずに内部で加熱する方法を提供し、”筋肉”の収縮を活性化する。”
このような繊維は、ロボットの腕、脚、グリッパー、および義肢のアクチュエータとしての用途を見つけることができ、わずかな重量と速い応答時間が大きな利点を提供することができる。
今日の義肢の中には30ポンドもの重量を量ることができるものがあり、その重量の多くは空気圧または油圧式のアクチュエータから来ています。 このような繊維は、動脈に入り、次に活性化されることによって働く医療ロボットのような小さな生物医学装置でも使用される可能性がある」とAnikeeva 「私たちは、数十ミリ秒から数秒のオーダーで活性化時間を持っています」と、寸法に応じて、彼女は言います。
重い荷物を持ち上げるためのより大きな強度を提供するために、筋繊維が体内に束ねられているのと同じように、繊維を束ねることができます。 チームは100本の繊維の束を正常にテストしました。 繊維のデッサンプロセスによって、センサーはまた義肢のような遭遇する条件でフィードバックを、提供するために繊維で組み込むことができる。 “閉ループフィードバック機構を備えた筋繊維を束ねることで、自動化された正確な制御が必要なロボットシステムに応用できる”とオルギュッチ氏は述べています。
Kanik氏によると、このタイプの材料の可能性は事実上無限であり、熱膨張率の異なる二つの材料のほとんどの組み合わせが機能し、可能な組み合わせの広大な領域を探索することができるからである。 彼は、この新しい発見は、新しいウィンドウを開くようなものであり、”他のウィンドウの束”が開かれるのを待っているのを見るためだけであると追
“この作品の強さは、そのシンプルさから来ています”と彼は言います。
このチームには、MITの大学院生Georgios Varnavides、Postdoc Jinwoo Kim、および学部生のThomas Benavides、Dani Gonzalez、Timothy Akintlioも含まれていました。 この研究は、国立神経障害脳卒中研究所と国立科学財団によって支援されました。