这个看起来很像电话线的「人造肌肉」能承受自身 650 倍重量

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07-18 14:34

当黄瓜这种植物生长时,它会长出紧密卷曲的卷须来寻找支撑物,以便将黄瓜向上拉伸,这将能使黄瓜接收到更多的阳光进行生长。

受此启发,麻省理工的研究人员已经找到了一种模仿黄瓜卷须卷曲和拉动方式去制造一种收缩纤维。这种纤维可以用在机器人、假肢或者其它生物医学上,是一种新型的「人造肌肉」。

▲ 黄瓜卷须. 图片来自:tOrange.biz

目前在制造「人造肌肉」方面已经有着很多种不同的尝试,包括液压系统、形状记忆金属、伺服电机等不同的方式,但它们都有着一定的局限性,比如重量过高或者响应过慢等等。相比之下基于纤维的新材料不仅非常轻巧,响应速度也非常快,研究人员应在《科学》(Science)期刊上刊登了这些发现。

新纤维由麻省理工学院博士后 Mehmet Kanik 和麻省理工学院研究生 SirmaÖrgüç 联合其他共 9 位研究人员进行开发完成。他们使用了纤维拉伸技术将两种不同的聚合物结合起来成一股纤维。

开发的关键是将两种热膨胀系数截然不同的材料粘合成一种纤维,两种聚合物一种是非常容易拉伸的环烯烃共聚物弹性体,另一种是更硬的高密度聚乙烯,这意味着在受到加热时,膨胀更快材料就会被另一部分膨胀较慢的部分阻止,这就导致这种符合纤维会向膨胀较慢的那一边进行弯曲。而这种不对称的收缩会将整个纤维拉成一个螺旋结构,并同时能够提供非常大的拉力。

当 Kanik 拿起这些纤维时,手的温度就会立刻使这些纤维卷曲起来,根据这一观察,它发觉到温度仅仅升高一点也能够让这些纤维卷曲收紧从而产生强大的拉力,一旦温度回落,它们又会恢复到原来的长度。

为了测试这种材料的耐久度,研究团队制作了一个类似用手臂举起哑铃的机械装置,并用这种纤维在大臂与小臂之间拉伸。研究发现,这种材料的卷曲与伸展过程再重复 10000 次之后依旧保持强韧。

耐久出色原因之一是这种纤维可以在「非常温和的条件下」进行使用,温度在细微的区间内仅仅 1 摄氏度的变化就能够让纤维开始收缩。

当温度从 22 度上升到 36 度时,仅仅 4 秒钟的时间就让纤维长度缩短到了原来的一半。

更难得的是,这种纤维可以适用于多个不同的尺度,小到几微米几毫米,大到几百米都很容易进行生产。测试还表明单根纤维能够承受住自身重量 650 倍的载荷。

另外,研究人员根据纤维的温度变化与收缩程度进行建模计算,在初步得出较为精确的算法后就能够对这种纤维进行编程,这会让这种人造肌肉纤维在未来有着更广阔的用途。

目前来看,改进人造假肢可能是此种人造肌肉纤维的用途之一,导电纳米线可以用作传感器,纤维还可以叠加内部加热元件比如电极,从而不需要外部热源进行驱动。这样就可以用作机器人或是人造假肢手臂或是腿部的致动器。

目前的人造假肢中有的可能重达 30 磅,并通过气动或者液压进行操纵。换用重量较轻的致动器当然会利于使用这类器械的人群生活。此外这种人造肌肉纤维同时也可用于微小的生物医学设备,例如进入动脉激活医疗机器人等等。

目前这种材料已经做好了量产的准备,同时价格方面还会非常便宜,根据 DeepTech 的报道,这种纤维的成本大概是每米 6 美分,折合人民币 4 毛钱。但这应该是每根纤维的成本,具体到某个场景中会用到多少根叠加那就是另一回事了。

▲ 人造肌肉纤维. 图片来自:Scientific American

Mehmet Kanik 还表示,在更广阔的应用中,温度变化这一条件会有较大的限制,所以他们会想办法改变刺激源条件,通过改变纤维结构让其对电、光、电化学等产生反应。

这种材料的可能性几乎是无限的,因为几乎任何具备不同热膨胀系数的材料都能够进行组合,这就留下了广大探索空间。就像当你打开了一个窗口时,又看到了一大堆窗口正在等待打开。Mehmet Kanik 说道。

题图来源:MIT News

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