selv som elektronikk har krympet mer og mer, motorer, hydraulikk og andre gadgets som brukes til å drive bevegelse har hardnakket motstått trenden. Det er vanskelig å lage og montere minuscule mekanismer som kan gi krefter og håndtere de påkjenninger som trengs for å kjøre eksepsjonelt små bevegelige deler. Denne uken i Vitenskap presenterer flere lag av forskere studier som beskriver fremskritt i å lage små kunstige muskler-som alle bruker små vridde fibre til å lagre og frigjøre energi. Fibrene kan brukes i alt fra miniatyrroboter til ventiler i medisinsk utstyr.
disse fibrene, som ofte inkluderer lette polymerer som nylon eller polyetylen med høy tetthet, kan være kraftigere, basert på deres vekt, enn menneskelige muskler. Som de kontrakt, kan noen løfte mer enn 1000 ganger sin egen masse, sier Sameh Tawfick, en mekanisk ingeniør Ved University Of Illinois I Urbana-Champaign. Fibrene gjør det mulig for ingeniører å lagre mye energi i et lite rom, noe som «lar dem gjøre ting de ikke ellers kan gjøre,» bemerker Tawfick, som medforfatter et perspektiv på studiene publisert i Samme utgave Av Science.
En av de nye kunstige muskel designene er i hovedsak en liten, høyteknologisk versjon av gummibåndene som brukes til å drive balsa-tre fly. Men disse fibrene krever ikke vikling hver gang de brukes, sier Jinkai Yuan, en materialforsker ved Universitetet I Bordeaux I Frankrike og medforfatter av en av studiene. I stedet er de laget av en» form minne » polymer som vrider og untwists som temperaturen på materialet endres.
Her er Hvordan Yuans lag gjorde sine muskler: for det Første oppvarmet forskerne en to-centimeter lang fiber med 40 mikron diameter av et materiale som kalles polyvinylalkohol (PVA) over den såkalte programmeringstemperaturen. (Over denne temperaturen tar materialet naturlig en form; under det kan materialet ta en annen. Hvis temperaturen svinger rundt denne terskelen, veksler materialet mellom de to figurene.) Etter å vri fiberen for å lagre energi, avkjølte de den for å fryse sin form. Når fiberen igjen ble oppvarmet over programmeringstemperaturen, ble den raskt untwisted til sin opprinnelige form, Sier Yuan.
Selv OM EN pva-fiber kunne lagre en betydelig mengde energi, fant teamet at tilsetning av tre til fem mikronstørrelsesflak av grafenoksid til materialet tillot det å låse bort enda mer. Det er fordi disse flakene ville bøye—og dermed lagre energi, som en fjær kanskje—når fiberen først ble vridd, men deretter slippe den energien som den untwisted. I lagets laboratorietester spunnet en untwisting fiber litt papir ved 600 omdreininger per minutt i hele fem sekunder. For å demonstrere fiberens energilagringskapasitet brukte teamet en til å drive en lekebåt. På et mer praktisk notat kan denne typen kunstig muskel også åpne og lukke små ventiler i medisinsk utstyr, Foreslår Yuan.
mens Fibrene Laget Av Yuan og hans kolleger gir dreiemoment når De vri og untwist, fungerer de kunstige musklene utviklet av andre lag mer som ekte muskler: de jobber ved å trekke på eller løfte gjenstander. Et team ledet av forskere ved Massachusetts Institute of Technology opprettet fibre som kan strekke mer enn 1000 prosent av sin opprinnelige størrelse og løfte mer enn 650 ganger sin egen vekt. De opererer på et prinsipp som ligner på de bimetalliske stripene i tidlige termostater: fiberen er laget ved å binde to materialer som utvides ved radikalt forskjellige priser når temperaturen i miljøet endres, sier Polina Anikeeva, en materialforsker ved Mit og senior forfatter av den studien.
lagets nye kunstige muskel inneholder EN høy tetthetspolyetylen (HDPE), den samme typen plast som brukes til å lage resirkulerbare flasker. Det har også et annet materiale, en elastisk type polymer kjent som en elastomer, Sier Anikeeva. Som små blokker av disse stoffene oppvarmes og trekkes gjennom en smal dyse, binder de seg og strekkes inn i en lang, tynn fiber. Når spenningen i fiberen frigjøres, krymper elastomeren tilbake til sin opprinnelige størrelse. Den forandringen fører igjen til at fiberen spoler inn i en fjærformet form som ligner en gammel telefonledning. SOM fiber er oppvarmet eller avkjølt, utvider HDPE eller kontrakter omtrent fem ganger raskere enn elastomer som det er bundet, som har en tendens til å forkorte eller øke den totale lengden av kveilet fiber, henholdsvis.
Da Anikeeva og hennes kolleger oppvarmet en av sine fibre med 14 grader Celsius over fire sekunder, krympet den kunstige muskelen i total lengde en hel del 50 prosent. I andre tester oppvarmet teamet og avkjølte fibre for å løfte lette vekter eller bøye en liten robotarm. Selv om disse testene løftet gramstørrelsesvekter, kunne massive bunter av slike fibre brukes til å utføre tyngre løft eller slite, Sier Anikeeva. Større diameter fibre, eller bunter av dem, kunne finne bruksområder i robotikk eller proteser, bemerker hun.
Et annet lag som rapporterte sitt arbeid i denne ukens Vitenskap, taklet kunstige muskler på en helt annen måte. Selv om enhetene ble bygget rundt en kjerne av vridde fibre, var den aktive delen av muskelen faktisk en tynn kappe av materiale som omgir kjernen. Å bruke en slik skjede hadde flere fordeler, sier Ray Baughman, teamleder og en materialforsker ved University Of Texas I Dallas. For det første, bemerker han, det tillater ingeniører å bruke billigere materialer til en fiberkjerne. Han og hans kolleger har utviklet skjede-drevet muskler bygget rundt kjerner laget av nylon, silke og bambus garn. Deres tester viser at valg av materiale for en fiberkjerne ikke dramatisk påvirker ytelsen.
Det er andre grunner til å bygge skjede-drevne muskler, Sier Baughman. Utsiden av fiberen er hvor miljøstimuli, som fuktighet eller tilstedeværelse av visse stoffer som driver bevegelsen, vil bli raskere følt, forklarer han. Også hevelse og krymping i skjeden, som er lengst fra midten av fiberen, vil utøve mer innflytelse enn tilsvarende endringer nær fiberens kjerne.
I Motsetning til De andre lagene utviklet Baughman og hans kolleger fibre som reagerer på mer enn bare temperaturendringer. Noen sported muskel hylser som sveller når de utsettes for etanol damp; andre ble finert med et materiale som krymper når det er gjennomvåt i en glukoseoppløsning. Disse typer fibre kan brukes til å åpne eller lukke ventiler i medisinsk utstyr eller å klemme en liten pose og dispensere et stoff. Fibre som reagerer på svette eller vanndamp kan bli vevd inn i «smarte stoffer» som justerer tettheten i vevet for å bli mer pustende i varme, fuktige forhold, Sier Baughman. Alternativt kan belegg som reagerer på skadelige damper stramme et stoffs vev for å beskytte folk som reagerer på et kjemisk utslipp.
» jeg er ekstremt spent på utviklingen » rapportert av disse lagene, Sier Tawfick. «Denne teknologien har en veldig lys fremtid.»
