當(dāng)黃瓜生長(zhǎng)時(shí)，它會(huì)發(fā)芽，長(zhǎng)出緊密卷曲的卷須，尋找支撐物，以便將植物向上生長(zhǎng)。這確保了植物盡可能多地接收陽(yáng)光?，F(xiàn)在，麻省理工學(xué)院的研
當(dāng)黃瓜生長(zhǎng)時(shí)，它會(huì)發(fā)芽，長(zhǎng)出緊密卷曲的卷須，尋找支撐物，以便將植物向上生長(zhǎng)。這確保了植物盡可能多地接收陽(yáng)光?，F(xiàn)在，麻省理工學(xué)院的研究人員已經(jīng)找到了一種方法來(lái)模仿植物卷繞和拉動(dòng)機(jī)制來(lái)產(chǎn)生收縮纖維，這種纖維可以用作機(jī)器人、假肢或其他機(jī)械和生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的人造肌肉。
雖然已經(jīng)使用許多不同的方法來(lái)創(chuàng)建人造肌肉，包括液壓系統(tǒng)，伺服馬達(dá)，形狀記憶金屬和響應(yīng)刺激的聚合物，但它們都具有其局限性，包括重量高或響應(yīng)時(shí)間慢。相比之下，新的基于纖維的系統(tǒng)非常輕巧，可以非?？焖俚仨憫?yīng)。近日，在《科學(xué)》雜志上報(bào)道了這些發(fā)現(xiàn)。
新纖維由麻省理工學(xué)院博士后Mehmet Kanik和麻省理工學(xué)院研究生SirmaÖrgüç開(kāi)發(fā)，與教授Polina Anikeeva，Yoel Fink，Anantha Chandrakasan和C.CemTa?an以及其他五位研究人員合作，使用纖維拉伸技術(shù)將兩種不同的聚合物結(jié)合起來(lái)成一股纖維。
這一過(guò)程的關(guān)鍵是將兩種熱膨脹系數(shù)完全不同的材料結(jié)合在一起——這意味著它們?cè)谑軣釙r(shí)的膨脹率不同。這與許多恒溫器使用的原理相同，例如，使用雙金屬片作為測(cè)量溫度的方法。當(dāng)連接的材料受熱時(shí)，想要膨脹得更快的那一面被另一種材料擋住了。因此，粘合材料卷曲起來(lái)，向膨脹速度較慢的一側(cè)彎曲。
使用兩種不同的聚合物粘合在一起，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，Kanik，Örgüç及其同事生產(chǎn)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)緊密的線圈，非常像黃瓜產(chǎn)生的卷須。但是當(dāng)研究人員第一次體驗(yàn)它時(shí)，接下來(lái)發(fā)生的事情實(shí)際上是一個(gè)驚喜。 “有很多意外發(fā)現(xiàn)。”Anikeeva回憶道。
一旦Kanik第一次拿起盤(pán)繞的纖維，僅僅是手的溫暖就會(huì)使纖維更緊密地卷起來(lái)。根據(jù)這一觀察結(jié)果，他發(fā)現(xiàn)即使溫度稍微升高也會(huì)使線圈收緊，產(chǎn)生令人驚訝的強(qiáng)大拉力。然后，一旦溫度回落，光纖就恢復(fù)到原來(lái)的長(zhǎng)度。在后來(lái)的測(cè)試中，該團(tuán)隊(duì)表明，這種收縮和擴(kuò)張的過(guò)程可能會(huì)重復(fù)10,000次“而且仍然很強(qiáng)勁。”Anikeeva說(shuō)。
她說(shuō)，長(zhǎng)壽的原因之一是“一切都在非常溫和的條件下運(yùn)行”，包括低活化溫度。只需1攝氏度的增加即可開(kāi)始纖維收縮。
這些纖維可以跨越多種尺寸，從幾微米(百萬(wàn)分之一米)到幾毫米(千分之一米)寬，并且可以容易地分批生產(chǎn)長(zhǎng)達(dá)數(shù)百米。測(cè)試表明，單根纖維能夠承受高達(dá)自身重量650倍的載荷。對(duì)于單根纖維的這些實(shí)驗(yàn)，Örgüç和Kanik開(kāi)發(fā)了專(zhuān)門(mén)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)整到所需的力和觸發(fā)該力所需的溫度變化量。
纖維使用纖維拉伸系統(tǒng)制成，這使得可以將其他組分結(jié)合到纖維本身中。這使得將其他成分加入纖維本身成為可能。纖維拉伸是通過(guò)創(chuàng)建一個(gè)超大版本的材料，稱(chēng)為預(yù)成型，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拉它，使纖維保持其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，但只有預(yù)成型纖維寬度的一小部分。
出于測(cè)試目的，研究人員在纖維表面涂上了導(dǎo)電納米線網(wǎng)格。這些網(wǎng)格可以作為傳感器來(lái)顯示纖維所經(jīng)歷或施加的確切張力。在未來(lái)，這些纖維還可以包括加熱元件，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)任何外部熱源來(lái)激活“肌肉”的收縮。
這種纖維可以用作機(jī)器人手臂、腿中的致動(dòng)器，以及假肢，其輕微的重量和快速的響應(yīng)時(shí)間可以提供顯著優(yōu)勢(shì)。
今天的一些假肢重達(dá)30磅(27斤)，其中大部分重量來(lái)自致動(dòng)器，通常是氣動(dòng)或液壓;因此，重量較輕的致動(dòng)器可以使戴假肢的人更容易生活。這種纖維也可用于微小的生物醫(yī)學(xué)設(shè)備，例如通過(guò)進(jìn)入動(dòng)脈然后被激活的醫(yī)療機(jī)器人。Anikeeva表示，“我們的激活時(shí)間大約為幾十毫秒到幾秒，具體取決于尺寸。”
為了提供更大的力量來(lái)承受更重的負(fù)荷，纖維可以捆綁在一起，就像肌肉纖維捆綁在體內(nèi)一樣。 該團(tuán)隊(duì)成功測(cè)試了100根纖維。 通過(guò)纖維拉伸過(guò)程，傳感器也可以被植入纖維中，對(duì)它們遇到的情況(比如假肢)提供反饋。Örgüç說(shuō)，將肌肉纖維與閉環(huán)反饋機(jī)制捆綁在一起，帶有閉環(huán)反饋機(jī)制的捆綁肌纖維可以應(yīng)用于需要自動(dòng)化和精確控制的機(jī)器人系統(tǒng)。
Kanik說(shuō)，這種材料的可能性幾乎是無(wú)限的，因?yàn)閹缀跞魏尉哂胁煌瑹崤蛎浡实牟牧系慕M合都可以起作用，留下了一個(gè)廣闊的領(lǐng)域來(lái)探索可能的組合。。 他補(bǔ)充說(shuō)，這個(gè)新發(fā)現(xiàn)就像打開(kāi)一個(gè)新窗口，同時(shí)看到“一堆其他窗戶”等待打開(kāi)。
“這項(xiàng)工作的優(yōu)勢(shì)來(lái)自其簡(jiǎn)單性。”他說(shuō)。
據(jù)報(bào)道，這些纖維的成本大約每米 6 美分，已經(jīng)具備工業(yè)化規(guī)模量產(chǎn)的條件。
