В перспективной статье, опубликованной 26 сентября онлайн на Слушаниях Национальной академии наук, команде ученых из Далласа UT Алан Г. Макдиармид, Институт NanoTech описывает путь к развитию нового класса искусственных мышц, сделанных из высоко искривленных волокон различных материалов, в пределах от экзотических углеродных нанотрубок к обычной нейлоновой нити и леске полимера.Поскольку искусственные мышцы могут быть сделаны в различных размерах и конфигурациях, диапазоне возможного применения от робототехники и протезирования к потребительским товарам, таким как умный текстиль, который изменяет пористость и форму в ответ на температуру.«Мы называем эти волокна приведения в действие ‘искусственными мышцами’, потому что они подражают подобному волокну форм-фактору естественных мышц», сказал доктор Картер Хэйнс, объединенный преподаватель исследования в Институте NanoTech и автор co-лидерства статьи PNAS, с научным сотрудником доктором На Ли. «В то время как имя вызывает идею гуманоидных роботов, мы очень взволнованы по поводу их потенциального использования для другого практического применения, такой как в интеллектуальном текстиле следующего поколения». Наука На основе Античного искусства
Вращение меха животных и растительных волокон, чтобы сделать нить и пряжу возвращается тысячи лет. Выравнивание волокон и затем скручивание их в пряжу дают прочность пряжи.Эксплуатируя это понятие и добавляя науку 21-го века, UT Далласские исследователи произвели пряжу приведения в действие мышц, которую, как их покрытые шерстью коллеги, можно соткать, сшить и связать в текстиль.Например, углеродные нанотрубки – по существу усики крошечных, полых труб, которые являются суперсильными и электрически проводящими.
В 2004, во главе с доктором Рэем Богменом, директором Института NanoTech и Робертом А. Уэлчем Выдающийся Стул в Химии в UT Даллас, команда разработала метод, чтобы вытянуть «леса» нанотрубок в листы выровненных волокон – во многом как чесавшая шерсть – и затем крутить листы в пряжу.Затем, группа обратилась к волокнам полимера, таким как нейлоновая нить шитья и леска, которые состоят из многих отдельных молекул, выровненных вдоль длины волокна. Скручивание нити или лески ориентирует эти молекулы в helices, производя относящийся к скручиванию – или вращательный – искусственные мышцы, которые могут прясть тяжелый ротор больше чем 100 000 оборотов в минуту.Когда эти мышцы так высоко искривлены, что они наматывают как сверхискривленная круглая резинка, они могут произвести растяжимое приведение в действие, где мышца существенно сокращается вдоль ее длины, когда нагрето и возвращается к ее начальной длине, когда охлаждено.
То исследование, изданное в 2014, показало, что простые, недорогие мышцы, сделанные из лески, могут снять в 100 раз больше веса и произвести в 100 раз более высокую механическую энергию, чем человеческая скелетная мышца той же самой длины и веса.«Успех наших мышц происходит из их специальной геометрии и того, что мы начинаем с материалов, которые являются анизотропными – когда они нагреты, материалы расширяются в диаметре намного больше, чем они расширяются вдоль их длины», сказал Богмен, ведущий автор перспективы PNAS.
Эта анизотропия – внутреннее свойство волокон полимера высокой прочности и является тем же самым принципом, который ведет сильные искусственные мышцы исследователями обнаруженный в 2012, который они сделали, добавив тепло отзывчивый материал «гостя» в углеродной пряже нанотрубки.«Когда эти волокна тогда искривлены и намотаны, их внутренние изменения геометрии так, чтобы, когда они нагреты, то расширение диаметра результаты в изменении в длине», сказал Богмен. «Диаметр волокна только должен расшириться приблизительно на 5 процентов, чтобы стимулировать гигантские изменения в длине».Последний поворотВ их новых экспериментах, описанных впервые в статье PNAS, Хэйнс и Ли добавили новый поворот к их искусственным мышцам. «Намотанные искусственные мышцы, которые мы первоначально сделали из лески и нейлоновой нити шитья, были ограничены в сумме, которую они могли расширить и сократить вдоль их длины», сказал Хэйнс. «Из-за их геометрии – как телефонный шнур – они могли только заключить контракт до сих пор, прежде чем катушки начали сталкиваться друг с другом».
Решение: Сформируйте намотанные приводы головок в спирали.«Преимущество для спиральной формы состоит в том, что теперь наша мышца может сократиться в плоское государство, расшириться в другом направлении и возвратиться к его оригинальной длине, всем, не застревая на себе», сказал Ли. «Наши эксперименты до настоящего времени были доказательством понятия, но уже показали, что мы можем использовать нагревание и охлаждение, чтобы вести это назад и вперед движением через гигантский диапазон.
Этот тип складывания привода головок может произвести по 8 600 процентным изменениям в длине, по сравнению с приблизительно 70 процентами для наших предыдущих катушек».Элегантная одеждаЛи сказал, что одно возможное применение для катушки спиральной формы могло бы быть тепло отзывчивой одеждой.
Вместо вниз заполненной куртки пальто, которое включает много маленьких катушек, могло изменить лофт и силу изолирования предмета одежды в ответ на температуру.В лаборатории Хэйнс и Ли произвели шпульки намотанных нитей полимера мышц, подходящих для шитья. «Мы показали, что эти тепло отзывчивые волокна могут использоваться в обычных машинах, тех, которые вырисовываются, вязальные машины и швейные машины», сказал Ли. «Когда мы продвигаемся с нашим исследованием и увеличиваем его, мы надеемся включить наши идеи в функциональные ткани и текстиль во множестве целей от одежды до экологически отзывчивой архитектуры к динамическим художественным скульптурам».