当黄瓜植物生长时,它会发芽紧密卷曲的卷须,寻找支撑物,以便将植物向上拉。这确保了植物尽可能多地接收阳光。现在,麻省理工学院的研究人员已经找到了一种方法来模仿这种卷绕和拉动机制来生产收缩纤维,这种纤维可以用作机器人,假肢或其他机械和生物医学应用的人造肌肉。

虽然已经使用许多不同的方法来创建人造肌肉,包括液压系统,伺服马达,形状记忆金属和响应刺激的聚合物,但它们都具有局限性,包括高重量或慢响应时间。相比之下,新的基于光纤的系统非常轻巧,可以非常快速地响应,研究人员说。今天在“ 科学 ”杂志上报道了这些发现。

新纤维由麻省理工学院博士后Mehmet Kanik和麻省理工学院研究生SirmaÖrgüç开发,与教授Polina Anikeeva,Yoel Fink,Anantha Chandrakasan和C.CemTaşan以及其他五位研究人员合作,使用纤维拉伸技术将两种不同的聚合物结合起来成一股纤维。

该过程的关键是将两种具有非常不同的热膨胀系数的材料配合在一起 - 这意味着它们在加热时具有不同的膨胀率。这与许多恒温器中使用的原理相同,例如,使用双金属片作为测量温度的方式。随着接合材料的加热,想要更快膨胀的一侧被另一种材料阻挡。结果,粘合材料卷曲,朝向更缓慢膨胀的一侧弯曲。

使用两种不同的聚合物粘合在一起,一种非常易拉伸的环状共聚物弹性体和一种更硬的热塑性聚乙烯,Kanik,Örgüç及其同事生产了一种纤维,当拉伸到其原始长度的几倍时,自然形成一个紧密的线圈,非常相似黄瓜产生的卷须。但是当研究人员第一次体验它时,接下来发生的事情实际上是一个惊喜。“这里有很多意外发现,”Anikeeva回忆道。

一旦卡尼克第一次拿起盘绕的纤维,他的手的温暖就会使纤维更紧密地卷起来。根据这一观察结果,他发现即使温度稍微升高也会使线圈收紧,产生令人惊讶的强大拉力。然后,一旦温度回落,光纤就恢复到原来的长度。在后来的测试中,该团队表明,这种承包和扩展的过程可能会重复10,000次“而且仍然很强劲,”Anikeeva说。

她说,长寿的原因之一是“一切都在非常温和的条件下运行”,包括低活化温度。只需1摄氏度的增加即可开始纤维收缩。

这些纤维可以跨越多种尺寸,从几微米(百万分之一米)到几毫米(千分之一米)宽,并且可以容易地分批生产长达数百米。测试表明,单根光纤能够提升高达自身重量650倍的载荷。对于单根纤维的这些实验,Örgüç和Kanik开发了专用的小型化测试装置。

当加热纤维时发生的紧固程度可以通过确定给予纤维的初始拉伸的多少来“编程”。这样可以将材料精确调整到所需的力量和触发该力所需的温度变化量。

纤维使用纤维拉伸系统制成,这使得可以将其他组分结合到纤维本身中。通过创建称为预成型件的超大尺寸材料来完成纤维拉伸,然后将其加热到材料变得粘稠的特定温度。然后可以将其拉出,就像拉动太妃糖一样,以产生保持其内部结构但仍然是预制件宽度的一小部分的纤维。

出于测试目的,研究人员用导电纳米线的网眼涂覆纤维。这些网状物可以用作传感器,以显示纤维经历或施加的确切张力。将来,这些纤维还可以包括加热元件,例如光纤或电极,提供在内部加热它的方式,而不必依赖任何外部热源来激活“肌肉”的收缩。

这种纤维可以用作机器人手臂,腿或夹子中的致动器,以及假肢,其轻微的重量和快速的响应时间可以提供显着的优势。

今天的一些假肢可以重达30磅,其中大部分重量来自致动器,通常是气动或液压; 因此,重量较轻的致动器可以使使用假肢的人更容易生活。这种纤维也可用于微小的生物医学设备,例如通过进入动脉然后被激活的医疗机器人,“Anikeeva建议。”我们的激活时间大约为几十毫秒到几秒,“取决于她说,尺寸。

为了提供更大的强度来提升更重的负荷,纤维可以捆绑在一起,就像肌肉纤维捆绑在体内一样。该团队成功测试了100根光纤束。通过纤维拉伸过程,传感器也可以结合在纤维中以提供它们遇到的状况的反馈,例如在假肢中。Örgüç表示,带有闭环反馈机制的捆绑肌纤维可以应用于需要自动化和精确控制的机器人系统。

卡尼克说,这种材料的可能性几乎是无限的,因为几乎任何具有不同热膨胀率的材料的组合都可以起作用,留下了可能的组合探索的广阔领域。他补充说,这个新发现就像打开一个新窗口,只看到“一堆其他窗户”等待打开。

“这项工作的优势来自其简单性,”他说。