Искусственных «мышц» добиться мощным тяговым усилием

Как огурец растет растение, его ростки плотно обмотанный усики, которые ищут поддерживает для того, чтобы тянуть растение вверх. Это гарантирует, что растение получает как можно больше солнечного света. Теперь, исследователи из Массачусетского технологического института нашли способ имитировать этот намотки-и-потянуть механизм для получения договаривающимися волокон, которые могут быть использованы в качестве искусственной мышцы для роботов, протезы конечностей, или других механических и биомедицинских приложений.

Хотя многие различные подходы были использованы для создания искусственных мышц, в том числе гидравлические системы, сервомоторы, памяти формы металлов, а также полимеров, которые реагируют на стимулы, они все имеют ограничения, в том числе большой вес или большое время отклика. Новые волокна на основе системы, напротив, чрезвычайно легкий и может очень быстро реагировать, говорят исследователи. Выводы сообщается сегодня в журнале Science.

Новые волокна были разработаны МИТ постдок Мехмет Каник и MIT аспирант Сирма Örgüç, работая с профессорами Полина Аникеева, Йоэль Финк, Ананда Chandrakasan, и C. цем Taşan, и пять других, с помощью волоконно-технике рисования для объединения двух разнородных полимеров в одиночную стренгу волокна.

Ключ к процесс спаривания двух материалов, которые имеют разные температурные коэффициенты расширения, т. е. они имеют разные коэффициенты расширения при нагревании. Это тот же принцип используется во многих терморегуляторов, например, через биметаллическую пластинку как способ измерения температуры. В качестве составного материала нагревается, сторона, которая хочет расширить быстрее сдерживается другой материал. Как следствие, скрепленный материал сворачивается, прижавшись к той стороне, которая расширяется более медленно.

Использование двух различных полимеров, соединенных вместе, очень эластичный циклический сополимер эластомера и гораздо жестче термопластичного полиэтилена, Каник, Örgüç и его коллеги изготовили волокна, что, когда протянул в несколько раз его первоначальной длины, естественным образом формирует себя в тугой рулон, очень похожие на усики, что огурцы. Но то, что произошло дальше на самом деле, стало сюрпризом, когда исследователи впервые испытал это. «Есть в этом большое Серендипити» Аникеева напоминает.

Как только Каник поднял спиральные волокна впервые, тепло его руки вызвало волокна свернуться поплотнее. Опираясь на это наблюдение, он обнаружил, что даже небольшое увеличение температуры может принять рулона подтянуть, производят удивительно сильное тяговое усилие. Затем, как только температура пошла вниз, волокно возвращается к своей первоначальной длине. В более поздние испытания, команда показала, что этот процесс заключения договоров и расширения может быть повторен 10000 раз «и он был еще силен» — говорит Аникеева.

Одна из причин такого долголетия, она говорит, что «все работает в очень умеренных условиях», в том числе низкие температуры активации. Всего 1 градус по Цельсию рост может быть достаточно, чтобы начать сокращение волокна.

Волокна могут охватывать широкий диапазон размеров, от нескольких микрометров (миллионных долей метра) до нескольких миллиметров (тысячных долей метра) в ширину и может быть легко изготовлена в сериях до сотни метров в длину. Тесты показали, что одиночное волокно способно поднимать грузы весом до 650 раз больше собственного веса. Для этих экспериментов на отдельные волокна, Örgüç и Каник разработали специальные, миниатюрные испытательные установки.

Степени затяжки, который возникает, когда волокна нагревается может быть «запрограммирован» при определении начальной стрейч отдать волокна. Это позволяет материалу быть настроены именно сила и величина изменения температуры, необходимой, чтобы вызвать эту силу.

Волокна изготавливаются с использованием волоконно-чертеж системы, которая дает возможность включать и другие компоненты в само волокно. Рисунок волокна создается объемный материал, под названием заготовки, которая затем нагревается до определенной температуры, при которой материал становится вязким. Тогда можно вытянуть, как потянуть ириску, чтобы создать волокно, которое сохраняет свою внутреннюю структуру, но это малая доля от ширины заготовки.

Для целей тестирования, исследователи покрыли волокна с сетки проводящих нанопроволок. Эти сетки могут быть использованы в качестве датчиков, чтобы выявить точное напряжение опытных или прилагаемые волокна. В будущем эти волокна могут также включать нагревательные элементы, такие как оптические волокна и электроды, что обеспечивает возможность нагрева его внутренних, не полагаясь на любой внешний источник тепла, чтобы активировать сжатие «мышц.»

Такие волокна могут найти применение в качестве приводов роботизированной руки, ноги, и захваты, и на протезах, где их небольшой вес и быстрое время отклика может обеспечить значительное преимущество.

Некоторые протезы конечностей сегодня может весить до 30 фунтов, причем большая часть веса идет из приводов, которые зачастую пневматический или гидравлический; облегченные приводы могут сделать жизнь намного проще для тех, кто использует протезы. Такие волокна могут также найти применение в крошечных биомедицинских устройств, например медицинского робота, который работает в артерию, а затем активизируется,» Аникеева предлагает. «У нас есть время активации порядка десятков миллисекунд до нескольких секунд,» в зависимости от размеров, — говорит она.

Чтобы обеспечить большую силу для подъема более тяжелым нагрузкам, волокна могут быть объединены вместе, как мышечные волокна группируются в организме. Команда успешно испытана пачки 100 волокон. Через процесс вытягивания волокна, датчики также могут быть включены в волокна, чтобы обеспечить обратную связь на условия, с которыми они сталкиваются, такие, как протезы. Örgüç говорит комплекте мышечных волокон с замкнутой обратной связи может найти применение в робототехнических системах, где требуется автоматическое и простое управление.

Каник говорит, что возможности для материалов этого типа практически безграничны, поскольку практически любое сочетание двух материалов с различными уровнями теплового расширения может работать, оставляя за собой огромную сферу возможных комбинаций для изучения. Он добавляет, что эта новая находка, как открытие нового окна, только чтобы увидеть «кучу других окон» ждут, чтобы быть открыт.

«Сила этой работы заключается в ее простоте», — говорит он.

сделать разницу: спонсорские возможности