Nye adaptive kunstige muskler lavet af et enkeltspiralformet uldgarn

I de senere år har materialeforskere designet en lang række innovative materialer, der kunne bruges til at skabe nye teknologier, herunder bløde robotter, controllere og smarte tekstiler. Disse materialer omfatter kunstige muskler, strukturer, der ligner biologiske muskler i form, og som kunne forbedre robotternes bevægelser eller muliggøre skabelsen af ​​tøj, der tilpasser sig forskellige miljøforhold.

Som en del af et igangværende projekt med fokus på tekstilbaserede bløde aktuatorer har et team af forskere ved Jiangnan University i Kina for nylig udviklet nye kunstige muskler baseret på fritstående, enkeltspiralformet uldgarn. Deres kunstige muskler, introduceret i et papir offentliggjort i Smart Materials and Structures , kunne bruges til nemt og overkommeligt at producere snoede aktuatorer, der kan registrere og reagere på fugt i deres omgivelser.

"Vi forsøger at designe fleksible og alsidige aktuatorer ved at udnytte det hierarkiske strukturdesign af tekstiler, lige fra mikroskalaer (f.eks. molekylære kæder og aggregeringsstrukturer) til makroskalaer (f.eks. fibermorfologi og tekstilarkitekturer)," Fengxin Sun, en af ​​de forskere, der udførte undersøgelsen, fortalte Tech Xplore. "Det er stadig en udfordring at realisere en garnbaseret kunstig muskel med fritstående og enkeltspiralformet arkitektur via en miljøvenlig og letfremstillet fremstillingsproces."

Det primære formål med det nylige arbejde af Sun og hans kolleger var at overvinde nogle af de almindelige udfordringer, man står over for, når man designer kunstige muskler baseret på garn (dvs. spundet tråd). Mest bemærkelsesværdigt har tidligere undersøgelser vist, at pålideligt snoning af garn for at skabe fritstående kunstige muskelstrukturer uden brug af skadelige kemikalier eller processer er langt fra en nem opgave.

Forskerne ved Jiangnan University var imidlertid i stand til at identificere en miljøvenlig behandlingsstrategi til pålidelig produktion af enkeltspiralformet garnbaseret muskel. Deres fremstillingsmetode er baseret på en kombination af UV-belysning og plasmaætsning, en plasmabehandlingsteknik, der ofte bruges til at producere integrerede kredsløb.

Denne forarbejdningsteknik kan begrænse spredningen af ​​energi fra uldfibrene og dermed forbedre de kunstige musklers aktiveringsevne. Derudover er den effektiv, skalerbar og nem at implementere, så den kunne være ideel til at fremstille disse muskellignende strukturer på industrielt niveau.

"De kunstige muskler af uldgarn, vi skabte, viser reversibel torsionsaktivering, når de alternativt udsættes for våde og tørre omgivelser," forklarede Sun. "Garnmusklerne udviser en imponerende torsionsaktivering ved befugtning, som et resultat af den forstærkede hygroskopiske ekspansion af den stærkt snoede uld. Den størknede spiralformede morfologi i uldene, der er et resultat af de reformerede disulfidnetværk, giver uldgarnene en 'formhukommelseseffekt'. '"

På grund af den unikke design- og fremstillingstilgang, som forskerne bruger, kan garnet, der udgør deres kunstige muskelstruktur, genvinde sin oprindelige spiralformede form, efter at det er tørret, uden at det kræver integration af en ekstern fjeder. I de indledende tests udviste de enkeltspiralformede garnbaserede muskler reversibel og fugtfølende aktivering såvel som en høj fugtaktiverende ydeevne med lavere energiafledning.

Bemærkelsesværdigt er fremstillingsprocessen, som Sun og hans kolleger anvender, også miljøvenlig, da den ikke kræver nogen kemiske og giftige tilsætningsstoffer. Da deres kunstige muskler er lavet af uld, som i sagens natur er biologisk nedbrydeligt og vedvarende, kan de bruges til at skabe mere bæredygtige teknologier og smarte tekstiler.

"Enkeltspiralformede strukturer anses generelt for at være ustabile og tilbøjelige til at vrides uden ekstern torsionsbinding, men vi udnytter her den indvendige tøjringseffekt af reformerede disulfidbroer i den spiralformede strukturtilstand af uld for at stabilisere de indsatte snoninger i garnmusklerne via UV-lys belysning og autooxidation," sagde Sun. "En sådan strategi er fuldstændig miljøvenlig og forbedrer i høj grad aktiveringsydelsen af ​​uldgarnsmuskler."

I fremtiden kan det seneste arbejde fra dette hold af forskere inspirere til udviklingen af ​​nye garnbaserede aktuatorer og kunstige muskler til robotter, der kan produceres bæredygtigt, til rimelige omkostninger og i stor skala. Derudover kunne det enkeltspiralformede uldgarn, de producerede, bruges til at skabe behagelige, åndbare, giftfri og hudvenlige tekstiler til smart tøj, smart campingudstyr og andre smarte tekstilprodukter.

"I den næste fase af vores forskning vil vi udforske vejen mod industriel fremstilling af vores kunstige muskler, for at realisere deres masseproduktion og fremme teknologisk innovation i retning af kommerciel anvendelse af garnmusklerne i smarte tekstiler," tilføjede Sun. "I billedet af en skjorte kan garnet tilpasse sig forskellige vejrforhold ved at skifte lufthold på stoffet intelligent, det ville være fascinerende. Vi håber, at denne slags tøj bliver tilgængeligt i vores daglige liv til en lav pris." + Udforsk yderligere

Skeder driver kraftfulde nye kunstige muskler

© 2022 Science X Network