Skeder driver kraftfulde nye kunstige muskler

I løbet af de sidste 15 år, forskere ved University of Texas i Dallas og deres internationale kolleger har opfundet flere typer stærke, kraftfulde kunstige muskler ved hjælp af materialer lige fra højteknologiske kulstofnanorør (CNT'er) til almindelig fiskeline.

I en ny undersøgelse offentliggjort 12. juli i tidsskriftet Videnskab , forskerne beskriver deres seneste fremskridt, kaldet kappedrevne kunstige muskler, eller SRAM'er.

Forskergruppens tidligere muskler blev lavet ved at sno CNT-garn, polymer fiskesnøre eller nylon sytråd. Ved at sno disse fibre til det punkt, at de snoer sig, forskerne producerede muskler, der drastisk trækker sig sammen, eller aktivere, langs deres længde, når de opvarmes og vender tilbage til deres oprindelige længde, når de er afkølet.

For at danne de nye muskler, forskerholdet påførte en polymerbelægning på snoede CNT-garner, samt billig nylon, silke og bambus garn, skabe en kappe omkring garnkernen.

"I vores nye muskler, det er kappen omkring et oprullet eller snoet garn, der driver aktivering og giver meget højere arbejde pr. cyklus og krafttætheder end for vores tidligere muskler, " sagde Dr. Ray Baughman, tilsvarende forfatter til undersøgelsen, Robert A. Welch Distinguished Chair i Kemi og direktør for Alan G. MacDiarmid NanoTech Institute ved UT Dallas.

I deres eksperimenter, et nøgletrin til at lave de færdige muskler var at sno de nyligt coatede garner, indtil de ruller sig, mens kappematerialet stadig var vådt.

"Hvis du indsætter vridning eller vikling efter kappen er tørret, skeden vil revne, " sagde Baughman. "Optimering af tykkelsen af ​​kappen er også meget vigtigt. Hvis den er for tyk, det snoede garn ved kernen vil ikke være i stand til at sno sig, fordi kappen holder det på plads. Hvis den er for tynd, afviklingen af ​​garnet vil få skeden til at revne."

Dr. Jiuke Mu, hovedforfatter af undersøgelsen og en forsker ved NanoTech Institute, først udviklede konceptet med den skededrevne kunstige muskel. I sheath-run-konfigurationen, den ydre kappe absorberer energi og driver aktiveringen af ​​musklen.

"I vores tidligere snoede og snoede muskler, vi anvendte termisk energi til hele musklen, men kun det ydre, den snoede del af fiberen udførte noget mekanisk arbejde - den centrale del lavede lidt, " sagde Mu. "Ved at bruge skeden, den tilførte energi kan hurtigere og mere effektivt omdannes til musklens mekaniske energi.

"Hvorfor forbruge energi ved at opvarme hele garnet, når alt hvad du behøver er at opvarme den ydre del af garnet for at det kan aktiveres?" Mu sagde. "Med vores nye muskler, vi skal kun lægge energi i skeden."

Baughman sagde, at mange materialer kunne bruges til kappen, så længe de har styrke og kan gennemgå dimensionsændringer under forskellige omgivende variabler, såsom ændringer i temperatur eller fugt.

Ved elektrokemisk drift, en muskel bestående af en CNT-skede og en nylonkerne genererede en gennemsnitlig sammentrækningskraft, der er 40 gange så stor som den menneskelige muskel og 9 gange den af ​​den alternative elektrokemiske muskel med højeste effekt.

"I vores tidligere arbejde, vi viste, at garn lavet af kulstof nanorør giver vidunderlige kunstige muskler. Sådanne garner er lette, men er stærkere og kraftigere end menneskelige muskler af samme længde og vægt, " sagde Baughman.

"Men carbon nanorørsgarn er meget dyrt, så i dette nye værk, vi går i en anden retning, " sagde han. "Vi fandt ud af, at selvom vi kan bruge kulstof-nanorør som kernemateriale til kunstige muskler, der drives af skeden, det behøver vi ikke. Vi demonstrerede, at CNT-garn kan erstattes af billige, kommercielt tilgængelige garner."

Han tilføjede, at polymerbelægningsprocessen nemt kunne skaleres op til kommerciel produktion.

"Da SRAM-teknologien muliggør udskiftning af CNT-garn med billigere garn, disse muskler er meget attraktive for intelligente strukturer, såsom robotter og komfortjusterende tøj, " sagde Baughman.

For at demonstrere mulige forbrugeranvendelser af kappedrevne kunstige muskler, forskerne strikkede SRAM'er til et tekstil, der øgede porøsiteten, når det blev udsat for fugt. De demonstrerede også en SRAM lavet af polymerbelagt nylontråd, der lineært trækker sig sammen, når de udsættes for stigende glukosekoncentration. Denne muskel kan bruges til at klemme en pose for at frigive medicin for at modvirke højt blodsukker.