Forskning belyser den underliggende mekanik i bløde filamenter

Kunstige muskler vil drive fremtidens bløde robotter og bærbare enheder. Men mere skal forstås om den underliggende mekanik af disse kraftfulde strukturer for at designe og bygge nye enheder.

Nu, forskere fra Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) har afdækket nogle af de fundamentale fysiske egenskaber ved kunstige muskelfibre.

"Tynde bløde filamenter, der nemt kan strække sig, bøje, vrid eller forskydning er i stand til ekstreme deformationer, der fører til knude-lignende, fletelignende eller løkkelignende strukturer, der nemt kan lagre eller frigive energi, "sagde L. Mahadevan, Lola England de Valpine professor i anvendt matematik, i Organismisk og Evolutionær Biologi, og i fysik. "Dette er blevet udnyttet af en række eksperimentelle grupper for nylig til at skabe prototypiske kunstige muskelfibre. Men hvordan topologien, geometri og mekanik i disse slanke fibre kommer sammen under denne proces var ikke helt klar. Vores undersøgelse forklarer de teoretiske principper, der ligger til grund for disse formtransformationer, og kaster lys over de underliggende designprincipper."

"Bløde fibre er den grundlæggende enhed i en muskel og kan bruges i alt fra robotik til smarte tekstiler, der kan reagere på stimuli som varme eller fugtighed, "sagde Nicholas Charles, en ph.d. studerende i anvendt matematik og førsteforfatter til papiret. "Mulighederne er uendelige, hvis vi kan forstå systemet. Vores arbejde forklarer den komplekse morfologi af blød, stærkt strakte og snoede fibre og giver retningslinjer for de bedste designs. "

Forskningen er publiceret i Fysisk gennemgangsbreve .

Bløde fibre, eller filamenter, kan strækkes, klippet, bøjet eller snoet. Hvordan disse forskellige handlinger interagerer for at danne knuder, fletninger, og spiraler er vigtige for designet af bløde aktuatorer. Forestil dig at strække og vride et gummibånd så stramt som du kan. Efterhånden som snoningen bliver strammere og strammere, en del af båndet vil springe ud af flyet og begynde at sno sig om sig selv til en spole eller knude. Disse spoler og sløjfer, i den rigtige form, kan udnyttes til at aktivere den knudrede fiber.

Forskerne fandt ud af, at forskellige niveauer af stretch og twist resulterer i forskellige typer komplekse ikke-plane former. De karakteriserede hvilke former, der førte til knækkede sløjfer, som til stramme spoler, og som til en blanding af de to. De fandt ud af, at forstrækning er vigtig for at danne spoler, da disse former er de mest stabile under udstrækning, og modellerede, hvordan sådanne spoler kan bruges til at producere mekanisk arbejde.

"Denne forskning giver os en enkel måde at forudsige, hvordan bløde filamenter vil reagere på vridning og strækning, "sagde Charles.

"Fremadrettet, vores arbejde kan også være relevant i andre situationer, der involverer sammenfiltrede filamenter, som i hårkrøller, polymerdynamik og dynamikken af ​​magnetiske feltlinjer i solen og andre stjerner, " sagde Mahadevan.