sztuczne” mięśnie ” osiągają potężną siłę ciągnącą

gdy roślina ogórka rośnie, kiełkuje ciasno zwinięte wąsy, które szukają podpór, aby pociągnąć roślinę do góry. Zapewnia to roślinie jak największą ekspozycję na światło słoneczne. Teraz naukowcy z MIT znaleźli sposób na naśladowanie tego mechanizmu zwijania i ciągnięcia w celu wytworzenia kurczących się włókien, które mogą być używane jako sztuczne mięśnie dla robotów, protetycznych kończyn lub innych zastosowań mechanicznych i biomedycznych.

podczas gdy wiele różnych podejść zostało zastosowanych do tworzenia sztucznych mięśni, w tym układów hydraulicznych, serwosilników, metali z pamięcią kształtu i polimerów, które reagują na bodźce, wszystkie one mają ograniczenia, w tym wysoki ciężar lub wolny czas reakcji. Nowy system oparty na włóknach jest natomiast niezwykle lekki i może reagować bardzo szybko, twierdzą naukowcy. Wyniki są dziś zgłaszane w czasopiśmie Science.

nowe włókna zostały opracowane przez MIT postdoc Mehmet Kanik i mit graduate student Sirma Örgüç, współpracując z profesorami Polina Anikeeva, Yoel Fink, Anantha Chandrakasan i C. Cem Taşan, i pięć innych, przy użyciu techniki rysowania włókien, aby połączyć dwa różne polimery w jedną nić włókna.

kluczem do tego procesu jest łączenie ze sobą dwóch materiałów, które mają bardzo różne współczynniki rozszerzalności cieplnej — co oznacza, że mają różne szybkości rozszerzalności po podgrzaniu. Jest to ta sama zasada stosowana w wielu termostatach, na przykład przy użyciu paska bimetalicznego jako sposobu pomiaru temperatury. Gdy łączony Materiał się nagrzewa, strona, która chce się szybciej rozwijać, jest powstrzymywana przez drugi materiał. W rezultacie spajany materiał zwija się, wyginając się w kierunku strony, która rozwija się wolniej.

kredyt: Dzięki uprzejmości naukowców

używając dwóch różnych polimerów połączonych ze sobą, bardzo rozciągliwego cyklicznego elastomeru kopolimeru i znacznie sztywniejszego termoplastycznego polietylenu, Kanik, Örgüç i współpracownicy wytworzyli włókno, które po rozciągnięciu do kilku razy swojej pierwotnej długości naturalnie tworzy się w ciasną cewkę, bardzo podobną do wąsów wytwarzanych przez ogórki. Ale to, co stało się później, było zaskoczeniem, gdy naukowcy po raz pierwszy tego doświadczyli. „Było w tym wiele szczęśliwego przypadku”, wspomina Anikeeva.

gdy tylko Kanik podniósł zwinięte włókno po raz pierwszy, ciepło samej dłoni spowodowało, że włókno mocniej się zwija. Podążając za tą obserwacją, odkrył, że nawet niewielki wzrost temperatury może sprawić, że cewka się dokręci, wytwarzając zaskakująco dużą siłę ciągnącą. Następnie, gdy tylko temperatura spadła, włókno powróciło do pierwotnej długości. W późniejszych testach zespół wykazał, że ten proces kurczenia się i rozszerzania można powtórzyć 10 000 razy „i nadal był silny”, mówi Anikeeva.

kredyt: Dzięki uprzejmości naukowców

jednym z powodów tej długowieczności jest to, że „wszystko działa w bardzo umiarkowanych warunkach”, w tym w niskich temperaturach aktywacji. Tylko wzrost o 1 stopień Celsjusza może wystarczyć do rozpoczęcia skurczu włókien.

włókna mogą mieć szeroki zakres rozmiarów, od kilku mikrometrów (milionowych części metra) do kilku milimetrów (tysięcznych metrów) szerokości i mogą być łatwo wytwarzane w partiach do setek metrów długości. Testy wykazały, że pojedyncze włókno jest w stanie podnosić obciążenia do 650 razy większe niż ciężar własny. Dla tych eksperymentów na pojedynczych włóknach Örgüç i Kanik opracowali dedykowane, zminiaturyzowane zestawy testowe.

kredyt: dzięki uprzejmości naukowców

stopień dokręcania, który występuje, gdy włókno jest ogrzewane, można „zaprogramować”, określając, ile początkowego rozciągnięcia daje włókno. Dzięki temu materiał może być dostrojony dokładnie do wymaganej siły i zmiany temperatury potrzebnej do uruchomienia tej siły.

włókna są wykonane za pomocą systemu ciągnienia włókien, który umożliwia włączenie innych składników do samego włókna. Rysowanie włókien odbywa się poprzez stworzenie ponadgabarytowej wersji materiału, zwanej preformą, która jest następnie podgrzewana do określonej temperatury, w której materiał staje się lepki. Następnie można go pociągnąć, podobnie jak ciągnięcie taffy, aby utworzyć włókno, które zachowuje swoją wewnętrzną strukturę, ale jest niewielkim ułamkiem szerokości preformy.

do celów testowych naukowcy pokryli włókna siatkami przewodzących nanoprzewodów. Siatki te mogą być używane jako czujniki, aby ujawnić dokładne napięcie odczuwane lub wywierane przez włókno. W przyszłości włókna te mogą również obejmować elementy grzejne, takie jak włókna optyczne lub elektrody, zapewniając sposób ogrzewania go wewnętrznie bez konieczności polegania na zewnętrznym źródle ciepła, aby aktywować skurcz „mięśnia.”

takie włókna mogą znaleźć zastosowanie jako siłowniki w zrobotyzowanych ramionach, nogach lub chwytakach oraz w protezach kończyn, gdzie ich niewielka waga i szybki czas reakcji mogą zapewnić znaczną przewagę.

niektóre protezy kończyn mogą dziś ważyć nawet 30 funtów, przy czym znaczna część ciężaru pochodzi z siłowników, które często są pneumatyczne lub hydrauliczne; lżejsze siłowniki mogą w ten sposób znacznie ułatwić życie tym, którzy używają protez. Takie włókna mogą również znaleźć zastosowanie w małych urządzeniach biomedycznych, takich jak robot medyczny, który działa poprzez wejście do tętnicy, a następnie aktywację”, sugeruje Anikeeva. „Mamy czasy aktywacji rzędu kilkudziesięciu milisekund do sekund”, w zależności od wymiarów, mówi.

aby zapewnić większą siłę do podnoszenia cięższych ładunków, włókna mogą być wiązane razem, podobnie jak włókna mięśniowe są wiązane w ciele. Zespół z powodzeniem przetestował Wiązki 100 włókien. Dzięki procesowi ciągnienia włókien, czujniki mogą być również włączone do włókien, aby zapewnić informacje zwrotne na temat warunków, które napotykają, takich jak w protezie kończyny. Örgüç twierdzi, że wiązane włókna mięśniowe z mechanizmem sprzężenia zwrotnego w pętli zamkniętej mogą znaleźć zastosowanie w systemach zrobotyzowanych, w których wymagana jest automatyczna i precyzyjna kontrola.

Kanik mówi, że możliwości dla materiałów tego typu są praktycznie nieograniczone, ponieważ prawie każda kombinacja dwóch materiałów o różnych współczynnikach rozszerzalności cieplnej może zadziałać, pozostawiając do zbadania ogromną sferę możliwych kombinacji. Dodaje, że to nowe odkrycie było jak otwarcie nowego okna, tylko po to, aby zobaczyć „kilka innych okien” czekających na otwarcie.

„siła tego dzieła pochodzi z jego prostoty”

w skład zespołu wchodzili również absolwent MIT Georgios Varnavides, doktor Jinwoo Kim oraz studenci studiów licencjackich Thomas Benavides, Dani Gonzalez i Timothy Akintlio. Prace były wspierane przez National Institute of Neurological Disorders and Stroke oraz National Science Foundation.