電子機器がますます縮小したとしても、運動を駆動するために使用されるモーター、油圧、およ 力を提供し、特別に小さい可動部分を運転するのに必要とされる圧力を扱うことができる極小のメカニズムを作り、組み立てることは困難である。 今週の科学では、いくつかの研究者チームが、小さな人工筋肉を作ることの進歩を説明する研究を発表しています。 繊維は、小型ロボットから医療機器のバルブまで、あらゆるものに採用することができます。
ナイロンや高密度ポリエチレンなどの軽量ポリマーを含むことが多いこれらの繊維は、体重に基づいて人間の筋肉よりも強力です。 彼らが契約すると、いくつかは自分の質量の1,000倍以上を持ち上げることができます、とアーバナ-シャンペーンのイリノイ大学の機械技師Sameh Tawfickは言います。 ファイバーは、エンジニアが小さな空間に多くのエネルギーを貯蔵することを可能にし、”彼らはそうでなければできないことを行うことができます”とtawfickは指摘し、同じ号のScienceに掲載された研究についての視点を共著した。
新しい人工筋肉のデザインの一つは、本質的には、バルサ材の飛行機を推進するために使用されるゴムバンドの小さな、ハイテクバージョンです。 しかし、これらの繊維は、使用するたびに巻線を必要としない、とフランスのボルドー大学の材料科学者であり、研究の共著者であるJinkai Yuan氏は述べています。 代わりに、材料の温度が変化するにつれてねじれたり解けたりする”形状記憶”ポリマーで作られています。
Yuanのチームが筋肉を作った方法は次のとおりです：まず、研究者はポリビニルアルコール（PVA）と呼ばれる材料の長さ二センチメートル、直径40ミクロンの繊維を、いわゆるプログラミング温度以上に加熱しました。 （この温度の上で、材料は自然に1つの形を取ります;それの下で、材料は別のものを取ることができます。 温度がこのしきい値の周りに変動すると、材料は二つの形状の間で交互になります。）エネルギーを貯蔵するために繊維をねじった後、彼らはその形状を凍結するためにそれを冷却した。 繊維が再びそのプログラミング温度を超えて加熱されたとき、それはすぐに元の形に解かれた、とYuanは言います。
PVA繊維はかなりの量のエネルギーを貯蔵することができますが、チームは、材料に3〜5ミクロンサイズのグラフェン酸化物のフレークを加えることで、それがさらにロックすることができることを発見しました。 それは、繊維が最初に撚られたときにそれらのフレークが屈曲し、したがってばねのようにエネルギーを貯蔵するためであるが、それが撚られたときにそ チームのラボテストでは、撚られていない繊維が毎分600回転で少しの紙を5秒間回転させました。 繊維のエネルギー貯蔵能力を実証するために、チームはおもちゃのボートを推進するためにそれを使用しました。 より実用的なノートでは、この種の人工筋肉はまた、医療機器の小さなバルブを開閉することができる、とYuanは示唆している。
袁と彼の同僚によって作られた繊維は、彼らがねじれ、解くようにトルクを提供するのに対し、他のチームによって開発された人工筋肉は、より多くの実 マサチューセッツ工科大学の研究者が率いるチームは、最初のサイズの1,000パーセント以上を伸ばし、自重の650倍以上を持ち上げることができる繊維を作 繊維は、環境の温度が変化するにつれて根本的に異なる速度で膨張する2つの材料を接着することによって作られている、とM.I.T.の材料科学者であり、その研究の上級著者であるPolina Anikeevaは述べています。
彼女のチームの新しい人工筋肉には、リサイクル可能なボトルを作るのと同じ種類のプラスチックである高密度ポリエチレン（HDPE）が含まれています。 それはまた、別の材料、エラストマーとして知られているポリマーの伸縮性のあるタイプを持っている、とAnikeevaは言います。 これらの物質の小さなブロックが加熱され、狭いノズルを通って引き出されると、それらは結合し、長くて薄い繊維に引き伸ばされる。 繊維の張力が解放されるとき、エラストマーは元のサイズに戻って縮まります。 その変化は、順番に、古い電話コードに似たばね状の形状にコイルに繊維を引き起こします。 繊維が加熱または冷却されると、HDPEは、それが結合されているエラストマーよりも約5倍速く膨張または収縮し、それぞれコイル状繊維の全長を短くま
Anikeevaと彼女の同僚が繊維の1つを摂氏14度4秒で加熱したとき、人工筋肉は全長がなんと50％縮小した。 他のテストでは、チームは軽い重量を持ち上げるか、または小さいロボット腕を曲げるために繊維を熱し、冷却した。 これらのテストはグラムサイズの重量を持ち上げましたが、そのような繊維の大規模な束は、より重い持ち上げや引っ張りを行うために使用するこ より大きな直径の繊維、またはそれらの束は、ロボット工学または義肢の用途を見つけることができる、と彼女は指摘する。
今週の科学でその仕事を報告する別のチームは、全く異なる方法で人工筋肉に取り組みました。 そのデバイスはねじれた繊維のコアの周りに構築されましたが、筋肉の活性部分は、実際にはコアを囲む材料の薄いシースでした。 このようなシースを使用すると、いくつかの利点があった、レイBaughman、チームリーダーとダラスのテキサス大学の材料科学者は述べています。 一つには、それはエンジニアが繊維のコアのために安価な材料を使用することができ、彼は指摘しています。 彼と彼の同僚は、ナイロン、シルク、竹の糸で作られたコアの周りに構築されたシース駆動の筋肉を開発しました。 彼らのテストは、繊維のコアのための材料の選択は劇的にその性能に影響を与えないことを示しています。
鞘駆動筋肉を構築する他の理由がある、とBaughman氏は述べています。 繊維の外側は、湿度やその動きを駆動する特定の物質の存在などの環境刺激がより迅速に感じられる場所です、と彼は説明します。 また、繊維の中心から最も遠いシースの膨潤および収縮は、繊維の中心付近の同等の変化よりも多くのレバレッジを発揮する。
他のチームとは異なり、Baughmanと彼の同僚は、単に温度の変化以上のものに反応する繊維を開発しました。 エタノールの蒸気に露出されたとき膨らむあるsported筋肉外装; 他のものは、グルコース溶液に浸したときに収縮する材料でベニヤされた。 これらの種類の繊維が医療機器の弁を開けるか、または閉めるか、または小さい袋を絞り、薬剤を分配するのに使用できます。 汗や水蒸気に反応する繊維は、高温多湿の条件でより通気性になるように織りの気密性を調整する「スマートファブリック」に織ることができます、とBaughman氏は述べています。 また、有害な蒸気に答えるコーティングは化学こぼれに答える人々を保護するために生地の織り方をきつく締めることができます。
これらのチームによって報告された”私は開発について非常に興奮しています”とTawfickは言います。 “この技術は非常に明るい未来を持っています。”
