Kunstige «muskler» oppnår kraftig trekkraft

når en agurkplante vokser, spirer den tett spolede tendrils som søker ut støtter for å trekke planten oppover. Dette sikrer at anlegget får så mye sollyseksponering som mulig. Nå har forskere ved MIT funnet en måte å etterligne denne coiling-and-pulling mekanismen for å produsere kontraherende fibre som kan brukes som kunstige muskler for roboter, proteser eller andre mekaniske og biomedisinske applikasjoner.

mens mange forskjellige tilnærminger har blitt brukt til å skape kunstige muskler, inkludert hydrauliske systemer, servomotorer, formminnemetaller og polymerer som reagerer på stimuli, har de alle begrensninger, inkludert høy vekt eller sakte responstid. Det nye fiberbaserte systemet er derimot ekstremt lett og kan reagere veldig raskt, sier forskerne. Funnene blir rapportert i dag I tidsskriftet Science.

de nye fibrene ble utviklet AV Mit Postdoc Mehmet Kanik Og mit graduate student Sirma Örgüç, som jobbet med professorene polina Anikeeva, Yoel Fink, Anantha Chandrakasan og c. Cem Taş, og fem andre, ved hjelp av en fibertegningsteknikk for å kombinere to forskjellige polymerer i en enkelt fiberstreng.

nøkkelen til prosessen er å parre sammen to materialer som har svært forskjellige termiske ekspansjonskoeffisienter-noe som betyr at de har forskjellige ekspansjonshastigheter når de blir oppvarmet. Dette er det samme prinsippet som brukes i mange termostater, for eksempel ved bruk av en bimetallisk stripe som en måte å måle temperatur på. Når det sammenføyde materialet varmes opp, holdes siden som ønsker å ekspandere raskere tilbake av det andre materialet. Som et resultat krøller det bundne materialet opp og bøyer seg mot siden som ekspanderer sakte.

Kreditt: Courtesy of the researchers

Ved å Bruke to forskjellige polymerer bundet sammen, produserte en meget strekkbar syklisk kopolymer elastomer og en mye stivere termoplastisk polyetylen, Kanik, Ö Og kolleger en fiber som, når den strekkes ut til flere ganger sin opprinnelige lengde, naturlig danner seg til en tett spole, veldig lik de tendrils som agurker produserer. Men det som skjedde neste kom faktisk som en overraskelse da forskerne først opplevde det. «Det var mye serendipity i dette,» husker Anikeeva.

Så snart Kanik plukket opp den spolede fiberen for første gang, forårsaket varmen av hånden alene fiberen å krølle seg tettere. Etter denne observasjonen fant han at selv en liten temperaturøkning kunne få spolen til å stramme opp, noe som ga en overraskende sterk trekkraft. Så, så snart temperaturen gikk ned, returnerte fiberen til sin opprinnelige lengde. Ved senere testing viste teamet at denne prosessen med å inngå og utvide kunne gjentas 10.000 ganger «og det var fortsatt sterk,» Sier Anikeeva.

Kreditt: Courtesy of the researchers

En av årsakene til den levetiden, sier hun, er at «alt fungerer under svært moderate forhold», inkludert lave aktiveringstemperaturer. Bare en 1-graders Celsius økning kan være nok til å starte fiberkontraksjonen.

fibrene kan strekke seg over et bredt spekter av størrelser, fra noen få mikrometer (milliondeler av en meter) til noen få millimeter (tusendeler av en meter) i bredde, og kan enkelt produseres i grupper opp til hundrevis av meter lange. Tester har vist at en enkelt fiber er i stand til å løfte laster på opptil 650 ganger sin egen vekt. For disse forsøkene På individuelle fibre har Ö Og kanik utviklet dedikerte, miniatyriserte testoppsett.

Kreditt: Forskere

graden av stramming som oppstår når fiberen oppvarmes, kan «programmeres» ved å bestemme hvor mye av en innledende strekk som skal gi fiberen. Dette gjør at materialet kan justeres til nøyaktig mengden kraft som trengs og mengden temperaturendring som trengs for å utløse den kraften.

fibrene er laget ved hjelp av et fibertegningssystem, som gjør det mulig å inkorporere andre komponenter i selve fiberen. Fibertegning gjøres ved å lage en overdimensjonert versjon av materialet, kalt en preform, som deretter oppvarmes til en bestemt temperatur hvor materialet blir viskøst. Det kan da bli trukket, mye som å trekke taffy, for å skape en fiber som beholder sin indre struktur, men er en liten brøkdel av bredden på preformen.

for testformål belagt forskerne fibrene med masker av ledende nanotråder. Disse maskene kan brukes som sensorer for å avsløre den nøyaktige spenningen som oppleves eller utøves av fiberen. I fremtiden kan disse fibrene også inkludere varmeelementer som optiske fibre eller elektroder, noe som gir en måte å varme det internt uten å måtte stole på noen ekstern varmekilde for å aktivere sammentrekningen av «muskelen».»

slike fibre kunne finne bruksområder som aktuatorer i robotarmer, ben eller grippere, og i proteser, hvor deres lette vekt og raske responstider kunne gi en betydelig fordel.

noen proteser i dag kan veie så mye som 30 pounds, med mye av vekten som kommer fra aktuatorer, som ofte er pneumatiske eller hydrauliske; lettere aktuatorer kan dermed gjøre livet mye lettere for de som bruker proteser. Slike fibre kan også finne bruksområder i små biomedisinske enheter, for eksempel en medisinsk robot som fungerer ved å gå inn i en arterie og deretter aktiveres,» Antyder Anikeeva. «Vi har aktiveringstider i størrelsesorden titalls millisekunder til sekunder,» avhengig av dimensjonene, sier hun.

for å gi større styrke for å løfte tyngre belastninger, kan fibrene buntes sammen, mye som muskelfibre er buntet i kroppen. Teamet testet vellykket bunter på 100 fibre. Gjennom fibertegningsprosessen kan sensorer også innlemmes i fibrene for å gi tilbakemelding på forhold de møter, for eksempel i en protetisk lem. Ö sier at buntede muskelfibre med en lukket tilbakekoblingsmekanisme kan finne applikasjoner i robotsystemer der automatisert og presis kontroll er nødvendig.

Kanik sier at mulighetene for materialer av denne typen er nesten ubegrensede, fordi nesten hvilken som helst kombinasjon av to materialer med forskjellige termiske ekspansjonshastigheter kan fungere, og etterlater et stort rike av mulige kombinasjoner å utforske. Han legger til at dette nye funnet var som å åpne et nytt vindu, bare for å se «en haug med andre vinduer» som venter på å bli åpnet.

«styrken i dette arbeidet kommer fra sin enkelhet,» sier han.

teamet inkluderte Også Mit-studenten Georgios Varnavides, postdoc Jinwoo Kim, Og studentene Thomas Benavides, Dani Gonzalez og Timothy Akintlio. Arbeidet ble støttet Av National Institute Of Neurological Disorders and Stroke og National Science Foundation.