kunstige” muskler ” opnår kraftig trækkraft

når en agurkplante vokser, spirer den tæt sammenrullede tendrils, der søger understøtninger for at trække planten opad. Dette sikrer, at planten får så meget sollys som muligt. Nu har forskere ved MIT fundet en måde at efterligne denne coiling-and-pulling mekanisme til at producere kontraherende fibre, der kunne bruges som kunstige muskler til robotter, proteser eller andre mekaniske og biomedicinske anvendelser.

mens mange forskellige tilgange er blevet brugt til at skabe kunstige muskler, herunder hydrauliske systemer, servomotorer, formhukommelsesmetaller og polymerer, der reagerer på stimuli, har de alle begrænsninger, herunder høj vægt eller langsom responstid. Det nye fiberbaserede system er derimod ekstremt let og kan reagere meget hurtigt, siger forskerne. Resultaterne rapporteres i dag i tidsskriftet Science.

de nye fibre blev udviklet af mit postdoc Mehmet Kanik og mit ph.d.-studerende Sirma Karrg Karr, der arbejder med professorer Polina Anikeeva, Yoel Fink, Anantha Chandrakasan og C. Cem Ta Karran og fem andre ved hjælp af en fibertegningsteknik til at kombinere to forskellige polymerer i en enkelt fiberstreng.

nøglen til processen er parring sammen to materialer, der har meget forskellige termiske ekspansionskoefficienter — hvilket betyder, at de har forskellige ekspansionshastigheder, når de opvarmes. Dette er det samme princip, der anvendes i mange termostater, for eksempel ved anvendelse af en bimetallisk strimmel som en måde at måle temperaturen på. Når det sammenføjede materiale opvarmes, holdes den side, der ønsker at ekspandere hurtigere, tilbage af det andet materiale. Som et resultat krøller det bundne materiale sig op og bøjer sig mod den side, der ekspanderer langsommere.

kredit: Med tilladelse fra forskerne

ved hjælp af to forskellige polymerer bundet sammen, en meget strækbar cyklisk copolymer elastomer og en meget stivere termoplastisk polyethylen, Kanik, Lyrrg LYR og kolleger producerede en fiber, der, når den strækkes ud til flere gange sin oprindelige længde, naturligt danner sig i en stram spole, meget lig de tendrils, som agurker producerer. Men hvad der skete næste kom faktisk som en overraskelse, da forskerne først oplevede det. “Der var meget serendipity i dette,” minder Anikeeva om.

så snart Kanik hentede den oprullede fiber for første gang, fik varmen fra hans hånd alene fiberen til at krølle sig tættere sammen. Efter denne observation fandt han, at selv en lille stigning i temperaturen kunne få spolen til at stramme op og producere en overraskende stærk trækkraft. Så snart temperaturen gik ned igen, vendte fiberen tilbage til sin oprindelige længde. I senere test viste holdet, at denne proces med kontrahering og udvidelse kunne gentages 10.000 gange “og det gik stadig stærkt,” siger Anikeeva.

kredit: Hilsen af forskerne

en af grundene til den levetid, siger hun, er, at “alt fungerer under meget moderate forhold”, herunder lave aktiveringstemperaturer. Bare en stigning på 1 grad Celsius kan være nok til at starte fiberkontraktionen.

fibrene kan spænde over en lang række størrelser, fra et par mikrometer (milliontedele af en meter) til et par millimeter (tusindedele af en meter) i bredden og kan let fremstilles i partier op til hundreder af meter lange. Test har vist, at en enkelt fiber er i stand til at løfte belastninger på op til 650 gange sin egen vægt. Til disse eksperimenter på individuelle fibre har Karrrg Karr og Kanik udviklet dedikerede, miniaturiserede testopsætninger.

kredit: høflighed af forskerne

graden af stramning, der opstår, når fiberen opvarmes, kan “programmeres” ved at bestemme, hvor meget af en indledende strækning der skal give fiberen. Dette gør det muligt at indstille materialet til nøjagtigt den nødvendige kraft og mængden af temperaturændring, der er nødvendig for at udløse denne kraft.

fibrene fremstilles ved hjælp af et fibertrækningssystem, som gør det muligt at inkorporere andre komponenter i selve fiberen. Fibertegning udføres ved at skabe en overdimensioneret version af materialet, kaldet en præform, som derefter opvarmes til en bestemt temperatur, hvor materialet bliver tyktflydende. Det kan derefter trækkes, ligesom at trække taffy, for at skabe en fiber, der bevarer sin indre struktur, men er en lille brøkdel af præformens bredde.

til testformål belagte forskerne fibrene med masker af ledende nanotråde. Disse masker kan bruges som sensorer til at afsløre den nøjagtige spænding, der opleves eller udøves af fiberen. I fremtiden kan disse fibre også omfatte varmeelementer såsom optiske fibre eller elektroder, hvilket giver en måde at opvarme det internt uden at skulle stole på nogen udvendig varmekilde for at aktivere sammentrækningen af “muskelen.”

sådanne fibre kunne finde anvendelser som aktuatorer i robotarme, ben eller gribere og i proteser, hvor deres lette vægt og hurtige responstider kunne give en betydelig fordel.

nogle proteser i dag kan veje så meget som 30 pund, hvor meget af vægten kommer fra aktuatorer, som ofte er pneumatiske eller hydrauliske; lettere aktuatorer kan således gøre livet meget lettere for dem, der bruger proteser. Sådanne fibre kan også finde anvendelser i små biomedicinske enheder, såsom en medicinsk robot, der virker ved at gå ind i en arterie og derefter aktiveres,” foreslår Anikeeva. “Vi har aktiveringstider i størrelsesordenen titusinder af millisekunder til sekunder,” afhængigt af dimensionerne, siger hun.

for at give større styrke til at løfte tungere belastninger kan fibrene bundtes sammen, ligesom muskelfibre bundtes i kroppen. Holdet testede med succes bundter på 100 fibre. Gennem fibertegningsprocessen kunne sensorer også inkorporeres i fibrene for at give feedback om forhold, de støder på, såsom i en protetisk lem. I en lukket loop-feedbackmekanisme kunne finde applikationer i robotsystemer, hvor automatiseret og præcis kontrol er påkrævet.

Kanik siger, at mulighederne for materialer af denne type er næsten ubegrænsede, fordi næsten enhver kombination af to materialer med forskellige termiske ekspansionshastigheder kunne fungere, hvilket efterlader et stort område af mulige kombinationer at udforske. Han tilføjer, at dette nye fund var som at åbne et nyt vindue, kun for at se “en masse andre vinduer”, der venter på at blive åbnet.

“styrken af dette værk kommer fra dets enkelhed,” siger han.

holdet omfattede også mit-kandidatstuderende Georgios Varnavides, postdoc Kim og bachelorstuderende Thomas Benavides og Timothy Akintlio. Arbejdet blev støttet af National Institute of Neurological Disorders and Stroke og National Science Foundation.