Stærke kunstige kulfibermuskler kan løfte 12, 600 gange deres egen vægt

Optrækket, en øvelse frygtet af de fleste, besvarer et grundlæggende spørgsmål:er dine muskler stærke nok til at løfte din egen kropsvægt?

Nogle Illinois-forskere, der arbejder med kunstige muskler, ser resultater, selv de stærkeste personer ville misunde, designe muskler, der er i stand til at løfte op til 12, 600 gange deres egen vægt.

Adjunkt i mekanisk videnskab og teknik Sameh Tawfick, Beckman postdoc-stipendiat Caterina Lamuta, og Simon Messelot offentliggjorde for nylig en undersøgelse om, hvordan man designer superstærke kunstige muskler i tidsskriftet Smarte materialer og strukturer . De nye muskler er lavet af kulfiberforstærket siloxangummi og har en oprullet geometri.

Disse muskler er i stand til ikke kun at løfte op til 12, 600 gange deres egen vægt, men understøtter også op til 60 MPa mekanisk belastning, giver trækslag på mere end 25 % og specifikt arbejde på op til 758 J/kg. Denne mængde er 18 gange mere end det specifikke arbejde, naturlige muskler er i stand til at yde. Når den aktiveres elektrisk, de kulfiberbaserede kunstige muskler viser fremragende ydeevne uden at kræve en høj indgangsspænding:Forfatterne viste, hvordan et muskelbundt med en diameter på 0,4 mm er i stand til at løfte en halv gallon vand med 1,4 tommer med kun 0,172 V/cm påført spænding.

"Anvendelsesområdet for disse billige og lette kunstige muskler er virkelig bredt og involverer forskellige områder såsom robotteknologi, proteser, ortotik, og menneskelige hjælpemidler, " Lamuta sagde. "Den matematiske model, vi foreslog, er et nyttigt designværktøj til at skræddersy ydeevnen af ​​oprullede kunstige muskler i henhold til de forskellige applikationer. Desuden, modellen giver en klar forståelse af alle de parametre, der spiller en vigtig rolle i aktiveringsmekanismen, og dette tilskynder fremtidigt forskningsarbejde hen imod udvikling af nye typologier af fiberforstærkede spiralmuskler med forbedrede egenskaber."

Selve de kunstige muskler er spoler bestående af kommercielle kulfibre og polydimethylsiloxan (PDMS). Et kulfiberslæb dyppes først i uhærdet PDMS fortyndet med hexan og snoet derefter med et simpelt bor for at skabe et garn med en homogen form og en konstant radius. Efter hærdningen af ​​PDMS, det lige kompositgarn er stærkt snoet, indtil det er helt oprullet.

"Oprullede muskler blev for nylig opfundet ved hjælp af nylontråde, " sagde Tawfick. "De kan udøve store aktiveringsslag, hvilket gør dem utroligt nyttige til anvendelser i menneskelige hjælpemidler:hvis bare de kunne gøres meget stærkere."

Holdet satte et mål om at transformere kulfiber, et meget stærkt letvægtsmateriale, som er let kommercielt tilgængeligt, ind i kunstige muskler.

"At bruge kulfibre, vi var nødt til at forstå mekanismen for sammentrækning af spiralformede muskler. Da vi afslørede teorien, vi lærte, hvordan man forvandler kulfibre til ultrastærke muskler. Vi fyldte simpelthen kulfiberslæb med den passende type silikonegummi, og deres præstation var imponerende, præcis hvad vi havde sigtet efter, " sagde Tawfick. Denne undersøgelse viser, at muskelsammentrækning er forårsaget af en stigning i muskelgarnets radius på grund af termisk ekspansion eller opløsningsmiddelabsorption af silikonefilet. , ved at påføre en spænding, varme eller hævelse af et opløsningsmiddel. Det indvendige tryk, der udøves fra silikonegummi på fibrene, får trækdiameteren til at udvide sig og rulle ud, hvilket forårsager et sammentrækningsslag langs længden."

Under den eksperimentelle karakterisering, en jævnspænding blev påført enderne af spolen for at inducere opvarmning af kompositten og igen forårsage trækaktivering. Den øverste ende af spolen blev fastgjort, mens en belastning blev fastgjort til bunden for at skabe spænding. Trækslaget blev fanget af et filmkamera, og analyseret billede for billede. Trækaktivering blev også induceret gennem hævelse via flydende hexan leveret til den spiralformede muskel.

Kan disse muskler bøjes endnu mere, opnå større slag? Den tætte overensstemmelse mellem matematiske forudsigelser og eksperimentel realisering giver tillid til at besvare dette spørgsmål. Holdet fandt ud af, at trækaktiveringen af ​​de kunstige oprullede muskler kan begrænses af gæstematerialets (silikone) evne til at udvide sig - en grænse pålagt af gæstematerialets termiske nedbrydningsegenskaber. Dette forklarer, hvorfor muskler, der aktiveres af hævelse, har højere aktiveringsbelastninger, de er i stand til at svulme mere end varmeinducerede muskler. Den teoretiske model foreslået af forfatterne kaster lys over, hvordan man designer gæstemateriale, som kunne give musklerne en endnu mere imponerende præstation.