Science封面重磅：MIT的研究人員發(fā)明了一種“人造肌肉纖維”

今天，Science封面發(fā)表重磅研究：MIT的研究人員發(fā)明了一種“人造肌肉纖維”，溫度改變即可伸縮，而且非常輕巧，可以非?？焖俚仨憫?yīng)。這種人造肌肉可用于機(jī)器人手臂、假肢、醫(yī)療機(jī)器人等。

你見(jiàn)過(guò)黃瓜生長(zhǎng)嗎？它有卷須，會(huì)順著桿子或其他支撐物往上卷繞，確保自己能夠接受更多的陽(yáng)光照射。

黃瓜的卷須使其能夠攀爬向上生長(zhǎng)

現(xiàn)在，MIT的研究人員找到了模擬這種卷繞和拉伸的方法來(lái)產(chǎn)生可伸縮纖維，這可以為機(jī)器人、假肢或其他機(jī)械和生物醫(yī)學(xué)的應(yīng)用提供人造肌肉。

雖然已經(jīng)有許多創(chuàng)造人造肌肉的方法，比如液壓系統(tǒng)，伺服馬達(dá)，形狀記憶金屬和響應(yīng)刺激的聚合物等，但它們都具有局限性，比容太重或響應(yīng)時(shí)間太長(zhǎng)。

研究人員表示：相比之下，這種基于纖維的新系統(tǒng)非常輕巧，可以非?？焖俚仨憫?yīng)。今天，這項(xiàng)研究登上了《Science》封面。

這種新纖維由MIT博士后Mehmet Kanik和研究生Sirma?rgü?等開(kāi)發(fā)，與教授Polina Anikeeva，Yoel Fink，Anantha Chandrakasan和C.CemTa?an合作。

原理簡(jiǎn)單，效果驚人：MIT人造纖維能舉起650倍于自身的重量

研究人員使用纖維拉伸技術(shù)將兩種不同的聚合物組合成單股纖維。該過(guò)程的關(guān)鍵是將兩種具有非常不同的熱膨脹系數(shù)的材料粘合在一起，這意味著它們?cè)诩訜釙r(shí)具有不同的膨脹率。

纖維的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

許多恒溫器中都使用了該原理，例如，使用雙金屬片作為測(cè)量溫度的方式。隨著接合材料的加熱，想要更快膨脹的一側(cè)被另一種材料阻擋。結(jié)果就是，粘合材料會(huì)卷曲，朝向膨脹更緩慢的一側(cè)彎曲。

實(shí)驗(yàn)中使用的兩種聚合物是COCe和HDPE

使用兩種不同的聚合物粘合在一起，分別是一種非常易拉伸的環(huán)狀共聚物彈性體和一種更硬的熱塑性聚乙烯，MIT研究人員制造了一種纖維，當(dāng)拉伸到其原始長(zhǎng)度的幾倍時(shí)，自然形成一個(gè)緊密的線(xiàn)圈，與黃瓜產(chǎn)生的卷須非常像。

研究人員稱(chēng)，這些基于纖維的致動(dòng)結(jié)構(gòu)是可控的，由熱和光控制，可以舉起自身體重650倍的重量，并能承受>1000%的拉力。

意外收獲：人造肌肉能拉伸10000次

研究人員第一次體驗(yàn)這種人造肌肉時(shí)，接下來(lái)發(fā)生的事情讓他們十分驚喜。“這里面有很多意外的收獲，”研究人員說(shuō)。

當(dāng)Kanik第一次拿起盤(pán)繞的纖維時(shí)，他的手的溫度就足以使纖維更緊地卷曲起來(lái)。

根據(jù)這一觀(guān)察，他發(fā)現(xiàn)，即使溫度只是稍稍升高，纖維也會(huì)收緊，產(chǎn)生驚人的強(qiáng)大拉力。然后，一旦溫度下降，纖維就恢復(fù)到原來(lái)的長(zhǎng)度。

在隨后的測(cè)試中，研究團(tuán)隊(duì)表明，這種收縮和拉伸的過(guò)程可以重復(fù)10000次，而且強(qiáng)度不會(huì)減弱。

研究人員說(shuō)，能夠重復(fù)如此多次的原因之一是“一切都在非常溫和的條件下運(yùn)行”，包括低激活溫度。僅僅升高1攝氏度就足以使纖維收縮。

這些纖維可以有多種尺寸，寬度從幾微米(百萬(wàn)分之一米)到幾毫米(千分之一米)不等，而且可以很容易地批量生產(chǎn)，最長(zhǎng)可達(dá)數(shù)百米。

試驗(yàn)表明，一根纖維可以承受自身重量650倍的載荷。為了在單根纖維上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了專(zhuān)用的小型化測(cè)試裝置。

當(dāng)纖維受熱時(shí)發(fā)生的拉緊程度，可以通過(guò)確定給纖維的初始拉伸量來(lái)“編程”。這使得材料可以精確地調(diào)整到所需的力以及觸發(fā)該力所需的溫度變化量。

這些纖維是使用一個(gè)“纖維拉伸系統(tǒng)”制成的，因此將其他成分加入纖維中也是可能等。纖維拉伸是通過(guò)制造一個(gè)超大尺寸的材料，稱(chēng)為預(yù)成型件，然后加熱到特定的溫度，使材料變得粘稠。然后就可以像拉太妃糖一樣將纖維拉出，同時(shí)使纖維保持其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，只是寬度比預(yù)成型件小很多。

獲得一根纖維彈簧的冷拉工藝。步驟1至4顯示拉伸過(guò)程，步驟5 - 8顯示釋放時(shí)，纖維形成了彈簧

作為測(cè)試，研究人員在纖維表面涂上了導(dǎo)電納米線(xiàn)網(wǎng)格。這些網(wǎng)格可以用作傳感器，以顯示纖維所經(jīng)歷或施加的確切張力。

未來(lái)，這些纖維還可以包含加熱元件，如光纖或電極，提供一種內(nèi)部加熱的方式，而無(wú)需依賴(lài)外部熱源來(lái)激活“肌肉”的收縮。

無(wú)限可能：人造肌肉可用于機(jī)器人手臂、假肢等

這種人造肌肉纖維可以用作機(jī)器人手臂、腿或夾持器中的致動(dòng)器，也可以用作假肢的部件，因?yàn)樗鼈冎亓枯p，反應(yīng)速度快，具有顯著的優(yōu)勢(shì)。

如今，一些假肢的重量可達(dá)13公斤，其中大部分重量來(lái)自致動(dòng)器，通常是氣動(dòng)或液壓的；因此，對(duì)于使用假肢的人來(lái)說(shuō)，更輕的致動(dòng)器可以使他們的生活更便利。

研究人員說(shuō)：“這種纖維還可以應(yīng)用于小型生物醫(yī)學(xué)設(shè)備，比如進(jìn)入動(dòng)脈后再被激活的醫(yī)療機(jī)器人。”

這種人造纖維的激活時(shí)間是幾十毫秒到幾秒，取決于尺寸。

為了提供更大的強(qiáng)度來(lái)承受更重的負(fù)荷，纖維可以捆綁在一起，就像肌肉纖維在身體中是捆綁著的一樣。該團(tuán)隊(duì)成功地測(cè)試了100根纖維捆綁在一起的纖維束。

通過(guò)纖維拉伸過(guò)程，傳感器也可以植入到纖維中，從而能夠?qū)λ鼈冇龅降那闆r提供反饋，例如在假肢。研究人員表示，帶有閉環(huán)反饋機(jī)制的纖維束可以應(yīng)用于需要自動(dòng)化和精確控制的機(jī)器人系統(tǒng)中。

這類(lèi)材料的可能性實(shí)際上是無(wú)限的，因?yàn)閹缀跞魏蝺煞N熱膨脹率不同的材料的組合都可以起作用，這是一個(gè)可以探索各種可能組合的廣闊領(lǐng)域。

研究人員說(shuō)，這個(gè)新發(fā)現(xiàn)就像打開(kāi)了一個(gè)新窗口，卻看到“更多其他的窗口”等著被打開(kāi)。