Forskere udvikler holdbart materiale til fleksible kunstige muskler

UCLA materialeforskere og kolleger ved det nonprofit videnskabelige forskningsinstitut SRI International har udviklet et nyt materiale og en fremstillingsproces til at skabe kunstige muskler, der er stærkere og mere fleksible end deres biologiske modstykker.

"At skabe en kunstig muskel for at muliggøre arbejde og detektere kraft og berøring har været en af ​​de store udfordringer ved videnskab og teknik," sagde Qibing Pei, professor i materialevidenskab og teknik ved UCLA Samueli School of Engineering og den tilsvarende forfatter til en undersøgelse for nylig offentliggjort i Science .

For at et blødt materiale kan overvejes til brug som en kunstig muskel, skal det være i stand til at udsende mekanisk energi og forblive levedygtigt under høje belastningsforhold - hvilket betyder, at det ikke let mister sin form og styrke efter gentagne arbejdscyklusser. Mens mange materialer er blevet betragtet som konkurrenter til fremstilling af kunstige muskler, har dielektriske elastomerer (DE) - lette materialer med høj elastisk energitæthed - været af særlig interesse på grund af deres optimale fleksibilitet og sejhed.

Dielektriske elastomerer er elektroaktive polymerer, som er naturlige eller syntetiske stoffer sammensat af store molekyler, der kan ændre sig i størrelse eller form, når de stimuleres af et elektrisk felt. De kan bruges som aktuatorer, hvilket gør det muligt for maskiner at fungere ved at omdanne elektrisk energi til mekanisk arbejde.

De fleste dielektriske elastomerer er lavet af enten akryl eller silikone, men begge materialer har ulemper. Mens traditionelle akryl-DE'er kan opnå høj aktiveringsbelastning, kræver de forstrækning og mangler fleksibilitet. Silikoner er nemmere at lave, men de tåler ikke høj belastning.

Ved at bruge kommercielt tilgængelige kemikalier og bruge en ultraviolet (UV) lyshærdningsproces, skabte det UCLA-ledede forskerhold et forbedret akrylbaseret materiale, der er mere bøjeligt, afstembart og lettere at skalere uden at miste sin styrke og udholdenhed. Mens akrylsyren gør det muligt at danne flere hydrogenbindinger, og derved gør materialet mere bevægeligt, justerede forskerne også tværbindingen mellem polymerkæder, hvilket gjorde det muligt for elastomererne at være blødere og mere fleksible. Den resulterende tynde, bearbejdelige, højtydende dielektriske elastomerfilm, eller PHDE, klemmes derefter mellem to elektroder for at omdanne elektrisk energi til bevægelse som en aktuator.

Hver PHDE-film er så tynd og let som et stykke menneskehår, omkring 35 mikrometer i tykkelse, og når flere lag stables sammen, bliver de til en miniature elektrisk motor, der kan fungere som muskelvæv og producere nok energi til at drive bevægelse for små robotter eller sensorer. Forskerne har lavet stakke af PHDE-film, der varierer fra fire til 50 lag.

"Denne fleksible, alsidige og effektive aktuator kan åbne portene for kunstige muskler i nye generationer af robotter eller i sensorer og bærbar teknologi, der mere præcist kan efterligne eller endda forbedre menneskelignende bevægelser og kapaciteter," sagde Pei.

Kunstige muskler udstyret med PHDE-aktuatorer kan generere flere megapascal kraft end biologiske muskler, og de viser også tre til 10 gange mere fleksibilitet end naturlige muskler.

Bløde flerlagsfilm fremstilles normalt via en "våd" proces, der involverer aflejring og hærdning af flydende harpiks. Men den proces kan resultere i ujævne lag, hvilket giver en dårligt ydende aktuator. Af denne grund har mange aktuatorer indtil nu kun haft succes med enkeltlags DE-film.

UCLA-forskningen involverer en "tør" proces, hvorved filmene lægges i lag ved hjælp af et blad og derefter UV-hærdede for at hærde, hvilket gør lagene ensartede. Dette øger aktuatorens energioutput, så enheden kan understøtte mere komplekse bevægelser.

Den forenklede proces, sammen med den fleksible og holdbare karakter af PHDE, giver mulighed for fremstilling af nye bløde aktuatorer, der er i stand til at bøje for at hoppe, som edderkoppeben, eller vikle op og dreje. Forskerne demonstrerede også PHDE-aktuatorens evne til at kaste en kugle på størrelse med en ærte 20 gange tungere end PHDE-filmene. Aktuatoren kan også udvide og trække sig sammen som en membran, når en spænding tændes og slukkes, hvilket giver et glimt af, hvordan kunstige muskler kan bruges i fremtiden.

Fremgangen kan føre til bløde robotter med forbedret mobilitet og udholdenhed og nye bærbare og haptiske teknologier med en følelse af berøring. Fremstillingsprocessen kan også anvendes på andre bløde tyndfilmsmaterialer til applikationer, herunder mikrofluidisk teknologi, vævsteknologi eller mikrofremstilling. + Udforsk yderligere

En unimorf nanokomposit dielektrisk elastomer til aktivering i stor skala