„mușchii” artificiali obțin o forță puternică de tragere

pe măsură ce o plantă de castraveți crește, încolțește tendriluri strâns înfășurate care caută Suporturi pentru a trage planta în sus. Acest lucru asigură că planta primește cât mai multă expunere la lumina soarelui. Acum, cercetătorii de la MIT au găsit o modalitate de a imita acest mecanism de înfășurare și tragere pentru a produce fibre contractante care ar putea fi folosite ca mușchi artificiali pentru roboți, membre protetice sau alte aplicații mecanice și Biomedicale.

în timp ce multe abordări diferite au fost utilizate pentru crearea mușchilor artificiali, inclusiv sisteme hidraulice, servomotoare, metale cu memorie de formă și polimeri care răspund la stimuli, toate au limitări, inclusiv greutate mare sau timpi de răspuns lent. Noul sistem bazat pe fibre, prin contrast, este extrem de ușor și poate răspunde foarte repede, spun cercetătorii. Rezultatele sunt raportate astăzi în revista Science.

noile fibre au fost dezvoltate de mit postdoc Mehmet Kanik și mit student absolvent Sirma Otrivrg Otrivc, care lucrează cu profesorii Polina Anikeeva, Yoel Fink, Anantha Chandrakasan, și C. CEM ta Inqqican, și alți cinci, folosind o tehnică de desenare a fibrelor pentru a combina doi polimeri diferiți într-un singur fir de fibre.

cheia procesului este împerecherea a două materiale care au coeficienți de expansiune termică foarte diferiți — ceea ce înseamnă că au rate diferite de expansiune atunci când sunt încălzite. Acesta este același principiu utilizat în multe termostate, de exemplu, folosind o bandă bimetalică ca modalitate de măsurare a temperaturii. Pe măsură ce materialul alăturat se încălzește, partea care dorește să se extindă mai repede este reținută de celălalt material. Drept urmare, materialul lipit se ondulează, îndoindu-se spre partea care se extinde mai încet.

Credit: Prin amabilitatea cercetătorilor

folosind doi polimeri diferiți legați împreună, un elastomer copolimer ciclic foarte stretchabil și o polietilenă termoplastică mult mai rigidă, Kanik, Oktocrg și colegii au produs o fibră care, atunci când este întinsă de mai multe ori lungimea inițială, se formează în mod natural într-o bobină strânsă, foarte asemănătoare cu tendrilele pe care le produc castraveții. Dar ceea ce s-a întâmplat în continuare a fost de fapt o surpriză când cercetătorii au experimentat-o pentru prima dată. „A fost multă serendipitate în asta”, își amintește Anikeeva.

de îndată ce Kanik a ridicat fibra înfășurată pentru prima dată, căldura mâinii sale a făcut ca fibra să se onduleze mai strâns. Urmărind această observație, el a descoperit că chiar și o mică creștere a temperaturii ar putea face bobina să se strângă, producând o forță de tragere surprinzător de puternică. Apoi, de îndată ce temperatura a scăzut, fibra a revenit la lungimea inițială. În testele ulterioare, echipa a arătat că acest proces de contractare și extindere ar putea fi repetat de 10.000 de ori „și încă mergea puternic”, spune Anikeeva.

Credit: Prin amabilitatea cercetătorilor

unul dintre motivele acestei longevități, spune ea, este că „totul funcționează în condiții foarte moderate”, inclusiv temperaturi scăzute de activare. Doar o creștere de 1 grad Celsius poate fi suficientă pentru a începe contracția fibrelor.

fibrele se pot întinde pe o gamă largă de dimensiuni, de la câțiva micrometri (milioane de metri) până la câțiva milimetri (mii de metri) în lățime și pot fi ușor fabricate în loturi de până la sute de metri lungime. Testele au arătat că o singură fibră este capabilă să ridice sarcini de până la 650 de ori greutatea proprie. Pentru aceste experimente pe fibre individuale, Eccrg și Kanik au dezvoltat configurații de testare miniaturizate dedicate.

Credit: prin amabilitatea cercetătorilor

gradul de strângere care apare atunci când fibra este încălzită poate fi „programat” prin determinarea cantității de întindere inițială pentru a da fibrei. Acest lucru permite ca materialul să fie reglat exact la cantitatea de forță necesară și la cantitatea de schimbare de temperatură necesară pentru a declanșa acea forță.

fibrele sunt realizate folosind un sistem de desenare a fibrelor, ceea ce face posibilă încorporarea altor componente în fibra în sine. Desenarea fibrelor se face prin crearea unei versiuni supradimensionate a materialului, numită preformă, care este apoi încălzită la o temperatură specifică la care materialul devine vâscos. Poate fi apoi tras, la fel ca tragerea taffy, pentru a crea o fibră care își păstrează structura internă, dar este o mică parte din lățimea preformei.

în scopuri de testare, cercetătorii au acoperit fibrele cu ochiuri de nanofire conductive. Aceste ochiuri pot fi folosite ca senzori pentru a dezvălui tensiunea exactă experimentată sau exercitată de fibră. În viitor, aceste fibre ar putea include și elemente de încălzire, cum ar fi fibrele optice sau electrozii, oferind o modalitate de încălzire internă fără a fi nevoie să se bazeze pe nicio sursă de căldură exterioară pentru a activa contracția „mușchiului”.”

astfel de fibre ar putea găsi utilizări ca actuatoare în brațele, picioarele sau cleștele robotice și în membrele protetice, unde greutatea lor ușoară și timpul de răspuns rapid ar putea oferi un avantaj semnificativ.

unele membre protetice de astăzi pot cântări până la 30 de kilograme, o mare parte din greutate provenind de la actuatoare, care sunt adesea pneumatice sau hidraulice; actuatoarele cu greutate mai ușoară ar putea astfel să facă viața mult mai ușoară pentru cei care folosesc proteze. Astfel de fibre ar putea găsi, de asemenea, utilizări în dispozitive biomedicale minuscule, cum ar fi un robot medical care funcționează intrând într-o arteră și apoi fiind activat”, sugerează Anikeeva. „Avem timpi de activare de ordinul a zeci de milisecunde Până la secunde”, în funcție de dimensiuni, spune ea.

pentru a oferi o rezistență mai mare pentru ridicarea sarcinilor mai grele, fibrele pot fi îmbinate împreună, la fel cum fibrele musculare sunt îmbinate în organism. Echipa a testat cu succes pachete de 100 de fibre. Prin procesul de desenare a fibrelor, senzorii ar putea fi, de asemenea, încorporați în fibre pentru a oferi feedback cu privire la condițiile pe care le întâlnesc, cum ar fi într-un membru protetic. Potrivit studiului, fibrele musculare grupate cu un mecanism de feedback în buclă închisă ar putea găsi aplicații în sistemele robotizate în care este necesar un control automat și precis.

Kanik spune că posibilitățile pentru materiale de acest tip sunt practic nelimitate, deoarece aproape orice combinație de două materiale cu rate de expansiune termică diferite ar putea funcționa, lăsând un domeniu vast de combinații posibile de explorat. El adaugă că această nouă constatare a fost ca și cum ai deschide o fereastră nouă, doar pentru a vedea „o grămadă de alte ferestre” care așteaptă să fie deschise.

„puterea acestei lucrări vine din simplitatea ei”, spune el.

echipa a inclus, de asemenea, studentul absolvent MIT Georgios Varnavides, postdoc Jinwoo Kim și studenții Thomas Benavides, Dani Gonzalez și Timothy Akintlio. Lucrarea a fost susținută de Institutul Național de tulburări neurologice și accident vascular cerebral și Fundația Națională pentru științe.