Kunstige muskler opnår kraftig trækkraft

Når en agurkeplante vokser, den spirer tæt oprullede ranker, der søger efter støtter for at trække planten opad. Dette sikrer, at planten modtager så meget sollys som muligt. Nu, forskere ved MIT har fundet en måde at efterligne denne opviklings-og-trækmekanisme for at producere sammentrækkende fibre, der kan bruges som kunstige muskler til robotter, protetiske lemmer, eller andre mekaniske og biomedicinske anvendelser.

Mens mange forskellige tilgange er blevet brugt til at skabe kunstige muskler, herunder hydrauliske systemer, servomotorer, formhukommelsesmetaller, og polymerer, der reagerer på stimuli, de har alle begrænsninger, inklusive høj vægt eller langsomme svartider. Det nye fiberbaserede system, derimod er ekstremt let og kan reagere meget hurtigt, siger forskerne. Resultaterne bliver rapporteret i dag i tidsskriftet Videnskab .

De nye fibre er udviklet af MIT postdoc Mehmet Kanik og MIT kandidatstuderende Sirma Örgüç, arbejder med professorerne Polina Anikeeva, Yoel Fink, Anantha Chandrakasan, og C. Cem Tasan, og fem andre, ved at bruge en fibertræksteknik til at kombinere to forskellige polymerer til en enkelt fiberstreng.

Nøglen til processen er at sammenkoble to materialer, der har meget forskellige termiske udvidelseskoefficienter - hvilket betyder, at de har forskellige udvidelseshastigheder, når de opvarmes. Dette er det samme princip, der bruges i mange termostater, for eksempel, ved hjælp af en bimetallisk strimmel som en måde at måle temperatur på. Når det sammenføjede materiale opvarmes, den side, der vil udvide sig hurtigere, holdes tilbage af det andet materiale. Som resultat, det bundne materiale krøller sammen, bøjer mod den side, der udvider sig langsommere.

Ved at bruge to forskellige polymerer bundet sammen, en meget strækbar cyklisk copolymerelastomer og en meget stivere termoplastisk polyethylen, Kanik, Örgüç og kolleger producerede en fiber, der, når den er strakt ud til flere gange sin oprindelige længde, danner sig naturligt til en tæt spiral, meget lig de ranker, som agurker producerer. Men hvad der derefter skete, kom faktisk som en overraskelse, da forskerne først oplevede det. "Der var meget serendipity i det her, " husker Anikeeva.

Så snart Kanik tog den oprullede fiber op for første gang, alene varmen fra hans hånd fik fibrene til at krølle sig tættere sammen. I forlængelse af denne observation, han fandt ud af, at selv en lille stigning i temperaturen kunne få spolen til at stramme op, producerer en overraskende stærk trækkraft. Derefter, så snart temperaturen faldt igen, fiberen vendte tilbage til sin oprindelige længde. Ved senere test, holdet viste, at denne proces med kontrahering og udvidelse kunne gentages 10, 000 gange "og det gik stadig stærkt, " siger Anikeeva.

En af grundene til den lange levetid, hun siger, er, at "alt fungerer under meget moderate forhold, " inklusive lave aktiveringstemperaturer. Blot en stigning på 1 grad Celsius kan være nok til at starte fibersammentrækningen.

Fibrene kan spænde over en bred vifte af størrelser, fra et par mikrometer (milliontedele af en meter) til et par millimeter (tusindedele af en meter) i bredden, og kan nemt fremstilles i batches op til hundrede meter lange. Tests har vist, at en enkelt fiber er i stand til at løfte byrder på op til 650 gange sin egen vægt. Til disse eksperimenter på individuelle fibre, Örgüç og Kanik har udviklet dedikerede, miniaturiserede testopsætninger.

Graden af ​​stramning, der opstår, når fiberen opvarmes, kan "programmeres" ved at bestemme, hvor meget af en indledende strækning, der skal give fiberen. Dette gør det muligt for materialet at blive indstillet til præcis den mængde kraft, der er nødvendig, og mængden af ​​temperaturændring, der er nødvendig for at udløse denne kraft.

Fibrene er fremstillet ved hjælp af et fibertræksystem, hvilket gør det muligt at inkorporere andre komponenter i selve fiberen. Fibertegning udføres ved at skabe en overdimensioneret version af materialet, kaldet en præform, som derefter opvarmes til en bestemt temperatur, hvorved materialet bliver tyktflydende. Så kan den trækkes, meget som at trække taffy, at skabe en fiber, der bevarer sin indre struktur, men er en lille brøkdel af præformens bredde.

Til testformål, forskerne beklædte fibrene med masker af ledende nanotråde. Disse masker kan bruges som sensorer til at afsløre den nøjagtige spænding, som fiberen oplever eller udøver. I fremtiden, disse fibre kan også omfatte varmeelementer såsom optiske fibre eller elektroder, giver en måde at opvarme det internt uden at skulle stole på nogen ekstern varmekilde for at aktivere sammentrækningen af ​​"musklen".

Sådanne fibre kan finde anvendelse som aktuatorer i robotarme, ben, eller gribere, og i proteser, hvor deres ringe vægt og hurtige svartider kunne give en væsentlig fordel.

Nogle protetiske lemmer kan i dag veje så meget som 30 pund, med meget af vægten fra aktuatorer, som ofte er pneumatiske eller hydrauliske; lettere aktuatorer kunne således gøre livet meget lettere for dem, der bruger proteser. Sådanne fibre kan også finde anvendelse i bittesmå biomedicinske anordninger, såsom en medicinsk robot, der fungerer ved at gå ind i en arterie og derefter aktiveres, " foreslår Anikeeva. "Vi har aktiveringstider i størrelsesordenen titusvis af millisekunder til sekunder, "afhængigt af dimensionerne, hun siger.

For at give større styrke til at løfte tungere byrder, fibrene kan bundtes sammen, meget som muskelfibre er bundtet i kroppen. Holdet testede med succes bundter af 100 fibre. Gennem fibertrækningsprocessen, sensorer kan også være inkorporeret i fibrene for at give feedback om forhold, de møder, såsom i en protese. Örgüç siger, at bundtede muskelfibre med en feedbackmekanisme med lukket sløjfe kan finde anvendelser i robotsystemer, hvor automatiseret og præcis kontrol er påkrævet.

Kanik siger, at mulighederne for materialer af denne type er praktisk talt ubegrænsede, fordi næsten enhver kombination af to materialer med forskellige termiske ekspansionshastigheder kunne fungere, efterlader et stort område af mulige kombinationer at udforske. Han tilføjer, at denne nye opdagelse var som at åbne et nyt vindue, kun for at se "en masse andre vinduer", der venter på at blive åbnet.

"Styrken ved dette arbejde kommer fra dets enkelhed, " han siger.