konstgjorda ”muskler” uppnår kraftfull dragkraft

när en gurka växer växer den tätt lindade tendrils som söker stöd för att dra växten uppåt. Detta säkerställer att växten får så mycket exponering för solljus som möjligt. Nu har forskare vid MIT hittat ett sätt att imitera denna lindningsmekanism för att producera kontraherande fibrer som kan användas som konstgjorda muskler för robotar, protesben eller andra mekaniska och biomedicinska tillämpningar.

medan många olika metoder har använts för att skapa konstgjorda muskler, inklusive hydrauliska system, servomotorer, formminnesmetaller och polymerer som svarar på stimuli, har de alla begränsningar, inklusive hög vikt eller långsam Responstid. Det nya fiberbaserade systemet är däremot extremt lätt och kan reagera mycket snabbt, säger forskarna. Resultaten rapporteras idag i tidskriften Science.

de nya fibrerna har utvecklats av MIT postdoc Mehmet Kanik och mit doktorand Sirma Ubicrg Ubic, arbetar med professorer Polina Anikeeva, Yoel Fink, Anantha Chandrakasan, och C. CEM ta ubican, och fem andra, med hjälp av en fiber-ritning teknik för att kombinera två olika polymerer i en enda sträng av fiber.

nyckeln till processen är att para ihop två material som har mycket olika termiska expansionskoefficienter — vilket innebär att de har olika expansionshastigheter när de värms upp. Detta är samma princip som används i många termostater, till exempel med hjälp av en bimetallremsa som ett sätt att mäta temperaturen. När det sammanfogade materialet värms upp hålls den sida som vill expandera snabbare tillbaka av det andra materialet. Som ett resultat krullar det bundna materialet upp och böjer sig mot den sida som expanderar långsammare.

kredit: Med tillstånd av forskarna

med hjälp av två olika polymerer bundna ihop, en mycket töjbar cyklisk sampolymerelastomer och en mycket styvare termoplastisk polyeten, producerade Kanik, Securig och kollegor en fiber som, när den sträcktes ut till flera gånger sin ursprungliga längd, naturligt bildar sig i en tät spole, mycket lik de tendrils som gurkor producerar. Men vad som hände nästa kom faktiskt som en överraskning när forskarna först upplevde det. ”Det var mycket serendipity i detta”, påminner Anikeeva.

så snart Kanik plockade upp den lindade fibern för första gången orsakade värmen i hans hand att fibern kröp upp tätare. Efter den observationen fann han att även en liten temperaturökning kunde få spolen att strama upp, vilket gav en överraskande stark dragkraft. Sedan, så snart temperaturen gick tillbaka, återvände fibern till sin ursprungliga längd. I senare tester visade laget att denna process för att kontrahera och expandera kunde upprepas 10 000 gånger ”och det gick fortfarande starkt”, säger Anikeeva.

kredit: Med tillstånd av forskarna

En av anledningarna till den livslängden, säger hon, är att ”allt fungerar under mycket måttliga förhållanden”, inklusive låga aktiveringstemperaturer. Bara en 1-graders Celsius-ökning kan räcka för att starta fiberkontraktionen.

fibrerna kan sträcka sig över ett brett spektrum av storlekar, från några mikrometer (miljoner meter) till några millimeter (tusen meter) i bredd och kan enkelt tillverkas i satser upp till hundratals meter långa. Tester har visat att en enda fiber kan lyfta laster upp till 650 gånger sin egen vikt. För dessa experiment på enskilda fibrer, har vi utvecklat dedikerade, miniatyriserade testuppsättningar.

kredit: med tillstånd av forskarna

graden av åtdragning som uppstår när fibern värms upp kan ”programmeras” genom att bestämma hur mycket av en initial sträcka som ska ge fibern. Detta gör att materialet kan ställas in på exakt den mängd kraft som behövs och den mängd temperaturförändring som behövs för att utlösa den kraften.

fibrerna tillverkas med hjälp av ett fiberdragningssystem, vilket gör det möjligt att införliva andra komponenter i själva fibern. Fiberritning görs genom att skapa en överdimensionerad version av materialet, kallad en förform, som sedan värms upp till en specifik temperatur vid vilken materialet blir visköst. Det kan sedan dras, ungefär som att dra taffy, för att skapa en fiber som behåller sin inre struktur men är en liten bråkdel av förformens bredd.

för teständamål täckte forskarna fibrerna med maskor av ledande nanotrådar. Dessa maskor kan användas som sensorer för att avslöja den exakta spänningen som upplevs eller utövas av fibern. I framtiden kan dessa fibrer också innefatta värmeelement såsom optiska fibrer eller elektroder, vilket ger ett sätt att värma det internt utan att behöva förlita sig på någon extern värmekälla för att aktivera sammandragningen av ”muskeln.”

sådana fibrer kan hitta användningsområden som ställdon i robotarmar, ben eller gripare och i protesben, där deras lilla vikt och snabba svarstider kan ge en betydande fördel.

vissa protetiska lemmar idag kan väga så mycket som 30 pund, med mycket av vikten som kommer från ställdon, som ofta är pneumatiska eller hydrauliska; lättare ställdon kan därmed göra livet mycket lättare för dem som använder proteser. Sådana fibrer kan också hitta användningsområden i små biomedicinska enheter, såsom en medicinsk robot som fungerar genom att gå in i en artär och sedan aktiveras”, föreslår Anikeeva. ”Vi har aktiveringstider i storleksordningen tiotals millisekunder till sekunder”, beroende på dimensionerna, säger hon.

för att ge större styrka för att lyfta tyngre belastningar kan fibrerna buntas ihop, mycket som muskelfibrer buntas i kroppen. Teamet testade framgångsrikt buntar med 100 fibrer. Genom fiberritningsprocessen kan sensorer också införlivas i fibrerna för att ge feedback om förhållanden de stöter på, såsom i en proteslem. Enligt en artikel i denna artikel kan kombinerade muskelfibrer med en återkopplingsmekanism med sluten slinga hitta applikationer i robotsystem där automatiserad och exakt kontroll krävs.

kanik säger att möjligheterna för material av denna typ är praktiskt taget obegränsade, eftersom nästan alla kombinationer av två material med olika termiska expansionshastigheter kan fungera, vilket ger en stor värld av möjliga kombinationer att utforska. Han tillägger att det här nya fyndet var som att öppna ett nytt fönster, bara för att se ”en massa andra fönster” som väntar på att öppnas.

”styrkan i detta arbete kommer från dess enkelhet”, säger han.

teamet inkluderade också MIT-doktoranden Georgios Varnavides, postdoc Jinwoo Kim och studenter Thomas Benavides, Dani Gonzalez och Timothy Akintlio. Arbetet stöddes av National Institute of Neurological Disorders and Stroke och National Science Foundation.