kunstmatige” spieren ” bereiken een krachtige trekkracht

naarmate een komkommerplant groeit, spruiten strak opgerolde ranken die steunen Zoeken om de plant naar boven te trekken. Dit zorgt ervoor dat de plant zoveel mogelijk blootstelling aan zonlicht krijgt. Onderzoekers aan het MIT hebben een manier gevonden om dit oprolmechanisme te imiteren om samentrekkende vezels te produceren die kunnen worden gebruikt als kunstmatige spieren voor robots, prothese-ledematen of andere mechanische en biomedische toepassingen.

hoewel veel verschillende benaderingen zijn gebruikt voor het creëren van kunstmatige spieren, waaronder hydraulische systemen, servomotoren, vormgeheugenmetalen en polymeren die reageren op stimuli, hebben ze allemaal beperkingen, waaronder een hoog gewicht of een trage responstijden. Het nieuwe vezelgebaseerde systeem is daarentegen extreem licht van gewicht en kan zeer snel reageren, zeggen de onderzoekers. De bevindingen worden vandaag gerapporteerd in het tijdschrift Science.De nieuwe vezels werden ontwikkeld door mit postdoc Mehmet Kanik en mit graduate student Sirma Örgüç, in samenwerking met professoren Polina Anikeeva, Yoel Fink, Anantha Chandrakasan, en C. CEM Taşan, en vijf anderen, met behulp van een vezel-tekentechniek om twee ongelijke polymeren te combineren tot een enkele vezelstreng.

de sleutel tot het proces is het samenvoegen van twee materialen die zeer verschillende thermische uitzettingscoëfficiënten hebben — wat betekent dat ze verschillende uitzettingssnelheden hebben wanneer ze worden verwarmd. Dit is hetzelfde principe dat wordt gebruikt in veel thermostaten, bijvoorbeeld met behulp van een bimetaal strip als een manier om de temperatuur te meten. Naarmate het samengevoegde materiaal opwarmt, wordt de zijde die sneller wil uitzetten, tegengehouden door het andere materiaal. Als gevolg hiervan krult het gebonden materiaal op, buigend naar de kant die langzamer uitdijt.

krediet: Met dank aan de onderzoekers

met behulp van twee verschillende polymeren die aan elkaar zijn gebonden, een zeer rekbaar cyclisch copolymeer elastomeer en een veel stijver thermoplastisch polyethyleen, produceerden Kanik, Örgüç en collega ‘ s een vezel die, uitgerekt tot meerdere keren zijn oorspronkelijke lengte, zich op natuurlijke wijze vormt tot een strakke spoel, die sterk lijkt op de ranken die komkommers produceren. Maar wat er daarna gebeurde kwam eigenlijk als een verrassing toen de onderzoekers het voor het eerst ervoeren. “Er zat veel serendipiteit in,” herinnert Anikeeva zich.

zodra Kanik de opgerolde vezel voor de eerste keer oppakte, zorgde alleen al de warmte van zijn hand ervoor dat de vezel strakker oprolde. Naar aanleiding van die observatie, vond hij dat zelfs een kleine stijging van de temperatuur de spoel zou kunnen aanscherpen, het produceren van een verrassend sterke trekkracht. Toen, zodra de temperatuur weer naar beneden ging, keerde de vezel terug naar zijn oorspronkelijke lengte. In latere testen toonde het team aan dat dit proces van inkoop en uitbreiding 10.000 keer herhaald kon worden “en het ging nog steeds sterk”, zegt Anikeeva.

krediet: Met dank aan de onderzoekers

een van de redenen voor die lange levensduur, zegt ze, is dat “alles werkt onder zeer matige omstandigheden,” met inbegrip van lage activatietemperaturen. Slechts een 1-Graden Celsius verhoging kan genoeg zijn om de vezel samentrekking te starten.

de vezels kunnen een breed scala van maten overspannen, van enkele micrometers (miljoenste van een meter) tot enkele millimeters (duizendste van een meter) in breedte, en kunnen gemakkelijk worden vervaardigd in batches tot honderden meters lang. Tests hebben aangetoond dat een enkele vezel in staat is om lasten tot 650 keer zijn eigen gewicht op te tillen. Voor deze experimenten met individuele vezels hebben Örgüç en Kanik speciale, geminiaturiseerde testopstellingen ontwikkeld.

Credit: met dank aan de onderzoekers

de mate van aanscherping die optreedt bij verhitting van de vezel kan worden “geprogrammeerd” door te bepalen hoeveel van een initiële rek de vezel moet geven. Hierdoor kan het materiaal worden afgestemd op precies de hoeveelheid kracht die nodig is en de hoeveelheid temperatuurverandering die nodig is om die kracht te activeren.

de vezels worden gemaakt met behulp van een vezel-tekensysteem, waardoor het mogelijk is om andere componenten in de vezel zelf op te nemen. Vezel tekening wordt gedaan door het creëren van een oversized versie van het materiaal, genaamd een voorvorm, die vervolgens wordt verwarmd tot een specifieke temperatuur waarbij het materiaal viskeuze. Het kan dan worden getrokken, net als trekken taffy, om een vezel die zijn interne structuur behoudt, maar is een klein deel van de breedte van de voorvorm te creëren.

voor testdoeleinden coaten de onderzoekers de vezels met mazen van geleidende nanodraden. Deze mazen kunnen worden gebruikt als sensoren om de exacte spanning ervaren of uitgeoefend door de vezel te onthullen. In de toekomst kunnen deze vezels ook verwarmingselementen zoals optische vezels of elektroden bevatten, die een manier bieden om het intern te verwarmen zonder te vertrouwen op een externe warmtebron om de samentrekking van de “spier te activeren.”

dergelijke vezels kunnen worden gebruikt als actuatoren in robotarmen, – benen of-grijpers, en in prothese-ledematen, waar hun geringe gewicht en snelle responstijden een significant voordeel kunnen bieden.

sommige prothese-ledematen kunnen vandaag de dag wel 30 pond wegen, waarbij een groot deel van het gewicht afkomstig is van actuatoren, die vaak pneumatisch of hydraulisch zijn; lichtere actuatoren zouden het leven van degenen die prothesen gebruiken, veel gemakkelijker kunnen maken. Dergelijke vezels kunnen ook toepassingen vinden in kleine biomedische apparaten, zoals een medische robot die werkt door in een slagader te gaan en vervolgens te worden geactiveerd,” anikeeva suggereert. “We hebben activeringstijden in de Orde van tientallen milliseconden tot seconden,” afhankelijk van de afmetingen, zegt ze.

om grotere sterkte te bieden voor het tillen van zwaardere lasten, kunnen de vezels samen worden gebundeld, net zoals spiervezels in het lichaam worden gebundeld. Het team heeft met succes bundels van 100 vezels getest. Door het vezeltekeningsproces kunnen sensoren ook in de vezels worden opgenomen om feedback te geven over omstandigheden die ze tegenkomen, zoals in een prothese. Örgüç zegt dat gebundelde spiervezels met een closed-loop feedbackmechanisme toepassingen kunnen vinden in robotsystemen waar geautomatiseerde en nauwkeurige besturing vereist is.

Kanik zegt dat de mogelijkheden voor materialen van dit type vrijwel onbegrensd zijn, omdat bijna elke combinatie van twee materialen met verschillende thermische uitzettingssnelheden zou kunnen werken, waardoor een groot gebied van mogelijke combinaties te verkennen valt. Hij voegt eraan toe dat deze nieuwe bevinding was als het openen van een nieuw venster, alleen om te zien “een bos van andere vensters” te wachten om te worden geopend.

” De kracht van dit werk komt voort uit zijn eenvoud”, zegt hij.Het team bestond ook uit mit graduate student Georgios Varnavides, postdoc Jinwoo Kim, en undergraduate studenten Thomas Benavides, Dani Gonzalez, en Timothy Akintlio. Het werk werd ondersteund door het National Institute of Neurological Disorders and Stroke en de National Science Foundation.