Loverende nye materialer efterligner muskelstruktur og funktion

Inspireret af musklernes struktur kunne en innovativ ny strategi til at skabe fiberaktuatorer føre til fremskridt inden for robotteknologi, proteser og smart beklædning, ifølge et Penn State-ledet hold af videnskabsmænd, der opdagede processen.

"Aktuatorer er ethvert materiale, der vil ændre sig eller deformeres under enhver ekstern stimuli, som dele af en maskine, der vil trække sig sammen, bøje eller udvide sig," sagde Robert Hickey, assisterende professor i materialevidenskab og ingeniørvidenskab ved Penn State. "Og for teknologier som robotteknologi er vi nødt til at udvikle bløde, lette versioner af disse materialer, der dybest set kan fungere som kunstige muskler. Vores arbejde handler i virkeligheden om at finde en ny måde at gøre dette på."

Holdet udviklede en to-trins proces til at lave fiberaktuatorer, der efterligner muskelfibrenes struktur, og som udmærker sig i flere aspekter sammenlignet med andre nuværende aktuatorer, herunder i effektivitet, aktiveringsbelastning og mekaniske egenskaber. De rapporterede deres resultater i dag (2. juni) i tidsskriftet Nature Nanotechnology .

"Dette er et stort felt, og der er en masse spændende forskning derude, men det har virkelig været fokuseret på ingeniørmaterialer for at optimere egenskaber," sagde Hickey. "Det, der gør vores arbejde spændende, er, at vi virkelig fokuserer på sammenhængen mellem kemi, struktur og ejendom."

Hickey førte tidligere et team, der producerede selvsamlende, nanostrukturerede hydrogelmaterialer. Hydrogeler er netværk af polymerer, der kan svulme op og holde store mængder vand, mens de bevarer deres struktur.

I den nye forskning fandt forskerne ud af, at fibre lavet af dette hydrogelmateriale kan strække sig flere gange deres oprindelige længde, når de er hydreret og hærde og låse sig i den aflange form, når de tørres i udstrakt tilstand. Tilføjelse af vand eller varme gør det muligt for materialet at snappe tilbage til sin oprindelige størrelse, hvilket gør det lovende til brug som en aktuator, sagde forskerne.

"Vi begyndte at erkende, at disse fibre trak sig sammen og viste nogle virkelig fascinerende egenskaber," sagde Hickey. "Da vi begyndte at karakterisere strukturen, indså vi, at der var nogle fundamentalt interessante ting i gang her. Og vi begyndte at erkende, at strukturen af ​​disse efterlignede eller spejlede naturlige muskler på mange måder."

Materialerne består af højt tilpassede nanoskalastrukturer med alternerende krystallinske og amorfe domæner, der ligner det ordnede og stribede mønster af pattedyrskeletmuskler, sagde forskerne.

Hydrogelernes exceptionelle strækegenskaber er et resultat af kombinationen af ​​stive amorfe nanoskala-domæner og mikrometerskalaporer fyldt med vand. Når hydrogelerne strækkes, klikker de tilbage som et gummibånd. Hvis de strakte fibre tørres i udstrakt tilstand, vil polymernetværket krystallisere og fastlåse fibrenes aflange form.

"Vi tror, ​​at en af ​​de grundlæggende grunde til, at vi har disse exceptionelle egenskaber, er, at fibrene er organiseret meget præcist på nanometerskalaen, på samme måde som sarkomeren af ​​en menneskelig muskel," sagde Hickey. "Det, der sker, er, at du har en ensartet sammentrækning. Disse amorfe domæner er alle organiseret præcist langs fiberen, og det betyder, at de trækker sig sammen i en enkelt retning, hvilket giver anledning til denne evne til at vende tilbage til den oprindelige tilstand."

Påføring af vand eller varme til de strakte materialer smelter krystallerne og tillader materialet at vende tilbage til sin oprindelige form. Når det strækkes til fem gange sin oprindelige længde, kan materialet vende tilbage til inden for 80% af dets størrelse og kan gøre dette over mange cyklusser uden at ydeevnen falder, sagde forskerne.

"Det faktum, at vi kan bruge to forskellige stimuli, varme og vand, til at udløse aktivering, åbner dobbelte muligheder for materialer fremstillet med denne metode," sagde Hickey. "De fleste aktuatorer udløses af en enkelt stimulus. Dobbelte stimuli åbner op for vores materialers alsidighed." + Udforsk yderligere

Teknik fremskynder termisk aktivering for blød robotteknologi