Kunstige muskler viser mere fleksibilitet

Kunstige muskler opnåede betydelige gevinster, da et bogstaveligt twist i udviklingsmetoden afslørede polymerfibers træk- eller strækbare evner, når de blev snoet og viklet til en fjederlignende geometri. På samme måde som agurkplantes kraftige klatretråde, den unikke geometri giver spolen en bøjningsbevægelse, når fibermateriale krymper - en reaktion, der kan styres med varme. Nu, forskere har forbedret disse trækegenskaber endnu mere ved at fokusere på polymerfiberens termiske egenskaber og den molekylære struktur, der bedst udnytter den chirale konfiguration.

I forsideartiklen, der vises i denne uge i Anvendt fysik bogstaver , Guoqiang Li og hans team i Institut for Mekanisk og Industriel Ingeniørvidenskab ved Louisiana State University diskuterer, hvordan de har udviklet en ny fiber, der giver højere trækstyrke og udløses - eller aktiveres - ved temperaturer mere end 100 grader Celsius køligere end forgængerne.

"Vi analyserede princippet bag, hvorfor polymerfibrene, gennem vridning og spoling, kan opføre sig så bemærkelsesværdigt, "sagde Li, forklarer deres metode. Ifølge Li, de fandt to drivende faktorer:Fiberens snoede karakter under aktivering og den negative termiske ekspansionskoefficient (NCTE). Den tovejs formede hukommelsespolymer (2W-SMP) fiber Li og hans team udviklede adresserede begge disse faktorer.

Når det kommer til den vridning, der driver denne kirale-mod-kirale arkitektur til at bøje og trække sig sammen, Li's gruppe fokuserede på dette spørgsmål på molekylært niveau. De reversible reaktioner af 2W-SMP-polymeren, der gør dem ideelle, kommer fra et stabilt molekylært netværk af kemiske tværbindinger. Netværket tilvejebringer kæder af orienterede molekyler i polymeren, hvis smeltning og omkrystallisering giver anledning til fiberens vigtige hukommelsesegenskaber.

Den reversible smelte/krystallisationsovergang gav også bedre termiske ekspansionsegenskaber sammenlignet med standardfibre, hvor aktivering kommer fra den iboende kontraktion af polymerkomponenterne i nærvær af varme (og afslapning når varmen fjernes). 2W-SMP-fiberen viser termisk ekspansion/sammentrækning en størrelsesorden højere end NCTE for sine forgængere.

Ved at behandle disse to egenskaber, fibrene Li producerede og testede i deres snoede-derefter-spolede muskelkonfigurationer viste større trækaktivering, men de sænkede også den temperatur, der var nødvendig for at aktivere disse kunstige muskelfibre.

"Aktiveringstemperaturen er meget høj i de tidligere anvendte polymerfibre, for eksempel kan de gå til 160 grader C, "sagde Li." For nogle applikationer, som medicinsk udstyr, [aktiveringstemperaturen er for høj. Så du er nødt til at finde en måde at sænke den. "Det er præcis, hvad gruppen gjorde, rapporterer maksimale aktiveringstemperaturer på 67 C.

Den lave temperatur er betydelig, når man overvejer en lang række applikationer relateret til menneskelig kropstemperatur ud over bare medicinsk udstyr, herunder åndbare tekstiler og selvhelbredende materialer, hvis strukturer tilpasser sig miljøforandringer.

Li og hans team står stadig over for udfordringer med udførelsen af ​​fiberens specifikke arbejde samt effektivitet i at konvertere termisk energi til aktivering, og ser på at løse disse spørgsmål i det fremtidige arbejde. En potentiel tilgang kan være at inkorporere ledende forstærkning i materialet med kulnanorør.

"Vores polymer er meget blød. Så ved at tilføje lidt forstærkning, ligesom carbon nanorør, vi ville have to fordele, "Sagde Li." Den første gør det til en leder, det betyder, at vi også kan bruge elektricitet og få det til at udløse muskeladfærden. Den anden er, at carbon nanorøret vil øge stivheden. "Større stivhed betyder bedre energilagring af fiberen, hvilket igen øger energieffektiviteten.