Voksfyldt nanotech-garn opfører sig som kraftfuldt, superstærk muskel (med video)

Nye kunstige muskler lavet af nanoteknologisk garn og infunderet med paraffinvoks kan løfte mere end 100, 000 gange deres egen vægt og generere 85 gange mere mekanisk kraft under sammentrækning end samme størrelse naturlige muskler, ifølge forskere ved University of Texas i Dallas og deres internationale team fra Australien, Kina, Sydkorea, Canada og Brasilien.

De kunstige muskler er garn konstrueret af kulstof nanorør, som er sømløse, hule cylindre lavet af samme type grafitlag, som findes i kernen af ​​almindelige blyanter. Individuelle nanorør kan være 10, 000 gange mindre end diameteren af ​​et menneskehår, endnu, pund for pund, kan være 100 gange stærkere end stål.

"De kunstige muskler, som vi har udviklet, kan give store, ultrahurtige sammentrækninger for at løfte vægte, der er 200 gange tungere end muligt for en naturlig muskel af samme størrelse, " sagde Dr. Ray Baughman [udtales BAK-mand], Team leder, Robert A. Welch professor i kemi og direktør for Alan G. MacDiarmid NanoTech Institute ved UT Dallas. "Selvom vi er begejstrede for anvendelsesmuligheder på kort sigt, disse kunstige muskler er i øjeblikket uegnede til direkte at erstatte muskler i den menneskelige krop."

Beskrevet i en undersøgelse offentliggjort online i dag i tidsskriftet Videnskab , de nye kunstige muskler er lavet ved at infiltrere en volumenændrende "gæst, "såsom paraffinvoks, der bruges til stearinlys, ind i snoet garn lavet af carbon nanorør. Opvarmning af det voksfyldte garn, enten elektrisk eller ved hjælp af et lysglimt, får voksen til at udvide sig, garnvolumen til at øge, og garnlængden til at trække sig sammen.

Kombinationen af ​​garnvolumenforøgelse med garnlængdeformindskelse er et resultat af den spiralformede struktur frembragt ved at sno garnet. Legetøj til et barns fingermanchet, som er designet til at fange en persons fingre i begge ender af en spiralvævet cylinder, har en analog handling. At undslippe, man skal skubbe fingrene sammen, som trækker rørets længde sammen og udvider dets volumen og diameter.

"På grund af deres enkelhed og høje ydeevne, disse garnmuskler kunne bruges til så forskellige applikationer som robotter, katetre til minimalt invasiv kirurgi, mikromotorer, mixere til mikrofluidiske kredsløb, indstillelige optiske systemer, mikroventiler, positioneringsanordninger og endda legetøj, " sagde Baughman.

Muskelsammentrækning – også kaldet aktivering – kan være ultrahurtig, sker på 25 tusindedele af et sekund. Inklusive tider for både aktivering og tilbageførsel af aktivering, forskerne viste en kontraktil effekttæthed på 4,2 kW/kg, hvilket er fire gange kraft-til-vægt-forholdet af almindelige forbrændingsmotorer.

For at opnå disse resultater, de gæstefyldte kulstof-nanorørsmuskler var stærkt snoede for at frembringe vikling, som med oprulningen set af en elastik i et gummibåndsdrevet modelfly.

Når den er fri til at rotere, et voksfyldt garn løsner sig, når det opvarmes elektrisk eller ved en lysimpuls. Denne rotation vender, når opvarmningen stoppes, og garnet afkøles. En sådan torsionsvirkning af garnet kan rotere en fastgjort skovl til en gennemsnitshastighed på 11, 500 omdrejninger i minuttet i mere end 2 millioner reversible cyklusser. Pund-per-pund, det genererede drejningsmoment er lidt højere end opnået for store elektriske motorer, sagde Baughman.

Fordi garnmusklerne kan snoes sammen og kan væves, syet, flettet og knyttet, de kan i sidste ende blive indsat i en række selvdrevne intelligente materialer og tekstiler. For eksempel, ændringer i miljøtemperaturen eller tilstedeværelsen af ​​kemiske midler kan ændre gæstevolumen; sådan aktivering kan ændre tekstilporøsiteten for at give termisk komfort eller kemisk beskyttelse. Sådanne garnmuskler kan også bruges til at regulere en flowventil som reaktion på detekterede kemikalier, eller juster vinduesgardinåbningen som reaktion på omgivelsestemperaturen.

Selv uden tilføjelse af et gæstemateriale, medforfatterne fandt ud af, at indførelsen af ​​coiling til nanorørsgarnet øger det tidoblede garnets termiske ekspansionskoefficient. Denne termiske udvidelseskoefficient er negativ, hvilket betyder, at det ufyldte garn trækker sig sammen, når det opvarmes. Opvarmning af garnet i en inert atmosfære fra stuetemperatur til ca. 500 grader Celsius gav mere end 7 procent sammentrækning ved løft af tunge byrder, hvilket indikerer, at disse muskler kan udfoldes til temperaturer 1000 C over stålets smeltepunkt, hvor ingen anden aktuator med høj arbejdskapacitet kan overleve.

"Denne stærkt forstærkede termiske ekspansion for de opviklede garner indikerer, at de kan bruges som intelligente materialer til temperaturregulering mellem 50 C under nul og 2, 500 C, " sagde Dr. Márcio Lima, en forskningsmedarbejder ved NanoTech Institute ved UT Dallas, som var medforfatter af Videnskab papir med kandidatstuderende Na Li fra Nankai University og NanoTech Institute.

"Den bemærkelsesværdige ydeevne af vores garnmuskel og vores nuværende evne til at fremstille kilometerlange garn tyder på muligheden for tidlig kommercialisering som små aktuatorer, der omfatter garnlængde i centimeter-skala, " sagde Baughman. "Den sværere udfordring er at opskalere vores enkelt-garn aktuatorer til store aktuatorer, hvor hundreder eller tusinder af individuelle garn muskler fungerer parallelt."