当黄瓜生长时,它会长出紧紧缠绕在一起的卷须,这些卷须能找到支撑它向上生长的支撑物。这确保了植物尽可能多地接受阳光照射。现在,麻省理工学院的研究人员已经找到了一种方法来模仿这种缠绕和牵引机制来产生收缩纤维,这种纤维可以用作机器人、假肢或其他机械和生物医学应用的人造肌肉。

虽然已经有许多不同的方法被用于制造人造肌肉,包括液压系统、伺服电机、形状记忆金属和对刺激做出反应的聚合物,但它们都有局限性,包括重量高或反应时间慢。研究人员说,相比之下,这种基于纤维的新系统非常轻便,反应速度非常快。这项研究结果发表在今天的《科学》杂志上。

新纤维是由麻省理工学院博士后穆罕默德Kanik和麻省理工学院研究生Sirma Orguc,与波琳娜Anikeeva教授合作,尤尔芬克,ananthachandrakasan,和c·杰姆Taşan 5人,使用光纤拉丝技术结合成一个单一的两种不同的聚合物链的纤维。

这一过程的关键是将两种热膨胀系数非常不同的材料结合在一起——这意味着它们在受热时的膨胀率不同。这与许多恒温器使用的原理相同,例如,使用双金属片作为测量温度的方法。当连接的材料受热时,想要膨胀得更快的那一面被另一种材料挡住了。因此,粘结材料卷曲起来,向膨胀速度较慢的一侧弯曲。

资料来源:研究人员提供

Kanik, Orguc和他的同事们用两种不同的聚合物粘在一起,一种非常有弹性的循环共聚物弹性体和一种更加坚硬的热塑性聚乙烯,产生了一种纤维,当拉伸到原来长度的几倍时,自然形成一个紧密的线圈,非常类似黄瓜产生的卷须。但当研究人员第一次经历时,接下来发生的事情却让他们大吃一惊。“这里面有很多意外的收获,”阿尼克耶娃回忆道。

当卡尼克第一次拿起卷曲的纤维时,仅仅是他的手的温暖就使纤维卷曲得更紧了。根据观察结果,他发现,即使温度稍有升高,线圈也会收紧,产生惊人的强大拉力。然后,一旦温度下降,纤维就恢复到原来的长度。在后来的测试中,研究小组显示,这种收缩和扩张的过程可以重复一万次,“而且仍然很强劲,”阿尼克耶娃说。

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她说,长寿的原因之一是“一切都在非常温和的条件下运行”,包括低激活温度。仅仅升高1摄氏度就足以使纤维收缩。

这些纤维的尺寸范围很广,从几微米(百万分之一米)到几毫米(千分之一米)不等,而且可以很容易地批量生产,最长可达数百米。试验表明,一根纤维可以承受自身重量650倍的载荷。为了在单个纤维上进行这些实验,Orguc和Kanik开发了专用的小型化测试装置。

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当纤维受热时发生的拉紧程度可以通过确定纤维的初始拉伸量来“编程”。这使得材料可以精确地调整到所需的力和触发该力所需的温度变化量。

这些纤维是用纤维拉伸系统制成的,这使得将其他成分加入纤维本身成为可能。纤维拉伸是通过创建一个超大版本的材料,称为预成型,然后加热到特定的温度,使材料变得粘稠。然后就可以像拉太妃糖一样拉它,使纤维保持其内部结构,但只有预成型纤维宽度的一小部分。

为了测试目的,研究人员在纤维表面涂上了导电纳米线网格。这些网格可以作为传感器来显示纤维所经历或施加的确切张力。在未来,这些纤维还可以包括加热元件,如光纤或电极,提供一种内部加热的方式,而无需依赖任何外部热源来激活“肌肉”的收缩。

这种纤维可以作为机械手臂、腿或夹持器的执行器,也可以作为假肢的执行器,因为它们的重量轻,反应速度快,可以提供一个显著的优势。

如今,一些假肢的重量可达30磅,其中大部分重量来自执行机构,它们通常是气动或液压的;因此,对于使用假肢的人来说,更轻的致动器可以使他们的生活更容易。这种纤维也可以应用于微小的生物医学设备中,比如通过进入动脉然后被激活的医疗机器人。她说:“我们有几十毫秒到几秒钟的激活时间。”

为了提供更大的力量来承受更重的负荷,纤维可以捆绑在一起,就像肌肉纤维捆绑在身体里一样。该团队成功地测试了100束纤维。通过纤维拉伸过程,传感器也可以被植入纤维中,对它们遇到的情况(比如假肢)提供反馈。Orguc说,将肌肉纤维与闭环反馈机制捆绑在一起,可以在需要自动化和精确控制的机器人系统中找到应用。

卡尼克说,这类材料的可能性实际上是无限的,因为几乎任何两种热膨胀率不同的材料的组合都可以工作,留下了一个广阔的领域来探索可能的组合。他补充说,这个新发现就像打开一个新窗口,却看到“一堆其他窗口”等待打开。

“这项工作的力量来自于它的简单,”他说。

研究小组还包括麻省理工学院的研究生乔治斯·瓦尔纳维德斯、博士后金宇·金、本科生托马斯·贝纳维德斯、丹尼·冈萨雷斯和蒂莫西·阿金特利奥。这项工作得到了美国国家神经疾病和中风研究所以及美国国家科学基金会的支持。

新闻旨在传播有益信息,英文原版地址:http://news.mit.edu/2019/artificial-fiber-muscles-0711