även som elektronik har krympt mer och mer, motorer, hydraulik och andra prylar som används för att driva rörelse har envist motstått trenden. Det är svårt att tillverka och montera Små mekanismer som kan ge krafterna och hantera de spänningar som behövs för att driva exceptionellt små rörliga delar. Denna vecka i Science presenterar flera forskargrupper studier som beskriver framsteg när det gäller att göra små konstgjorda muskler—som alla använder små vridna fibrer för att lagra och frigöra energi. Fibrerna kan användas i allt från miniatyrrobotar till ventiler i medicintekniska produkter.
dessa fibrer, som ofta innehåller lätta polymerer som nylon eller högdensitetspolyeten, kan vara kraftfullare, baserat på deras vikt, än mänskliga muskler. När de kontraherar kan vissa lyfta mer än 1000 gånger sin egen massa, säger Sameh Tawfick, maskiningenjör vid University of Illinois i Urbana-Champaign. Fibrerna gör det möjligt för ingenjörer att lagra mycket energi i ett litet utrymme, vilket ”låter dem göra saker som de annars inte kan göra”, konstaterar Tawfick, som medförfattare ett perspektiv på de studier som publicerades i samma utgåva av Science.
en av de nya konstgjorda muskeldesignerna är i huvudsak en liten högteknologisk version av gummibanden som används för att driva balsa-träflygplan. Men dessa fibrer kräver inte lindning varje gång de används, säger Jinkai Yuan, materialforskare vid universitetet i Bordeaux i Frankrike och medförfattare till en av studierna. Istället är de gjorda av en” formminne ” – polymer som vrider och försvinner när materialets temperatur förändras.
här är hur Yuans team gjorde sina muskler: för det första värmde forskarna en två centimeter lång fiber med 40 mikron diameter av ett material som kallas polyvinylalkohol (PVA) över sin så kallade programmeringstemperatur. (Över denna temperatur tar materialet naturligtvis en form; under det kan materialet ta en annan. Om temperaturen fluktuerar kring denna tröskel växlar materialet mellan de två formerna.) Efter att ha vridit fibern för att lagra energi kylde de den för att frysa sin form. När fibern återigen värmdes över sin programmeringstemperatur, blev den snabbt otvistad till sin ursprungliga form, säger Yuan.
även om en PVA-fiber kunde lagra en betydande mängd energi, fann laget att lägga till tre-till-fem-mikron-storleksflingor av grafenoxid till materialet gjorde det möjligt att låsa bort ännu mer. Det beror på att dessa flingor skulle flex—och därmed lagra energi, som en fjäder kanske—när fibern först vrids men sedan släppa den energin som den otvisted. I lagets laboratorietester snurrade en otvistande fiber lite papper med 600 varv per minut under hela fem sekunder. För att demonstrera fiberns energilagringskapacitet använde laget en för att driva en leksaksbåt. På en mer praktisk anteckning kan denna typ av konstgjord muskel också öppna och stänga små ventiler i medicinska apparater, föreslår Yuan.
medan fibrerna från Yuan och hans kollegor ger vridmoment när de vrider och försvinner, arbetar de konstgjorda musklerna som utvecklats av andra lag mer som riktiga muskler: de arbetar genom att dra på eller lyfta föremål. Ett team som leds av forskare vid Massachusetts Institute of Technology skapade fibrer som kan sträcka mer än 1000 procent av sin ursprungliga storlek och lyfta mer än 650 gånger sin egen vikt. De verkar på en princip som liknar de bimetalliska remsorna i tidiga termostater: fibern tillverkas genom att binda två material som expanderar i radikalt olika takt när temperaturen i deras miljö förändras, säger Polina Anikeeva, materialforskare vid MIT och senior författare till den studien.
hennes lags nya konstgjorda muskel innehåller en högdensitetspolyeten (HDPE), samma typ av plast som används för att göra återvinningsbara flaskor. Det har också ett annat material, en stretchig typ av polymer som kallas en elastomer, säger Anikeeva. Eftersom små block av dessa ämnen värms upp och dras genom ett smalt munstycke, binds de och sträcker sig i en lång, tunn fiber. När spänningen i fibern släpps krymper elastomeren tillbaka till sin ursprungliga storlek. Den förändringen gör i sin tur att fibern spolar in i en fjäderliknande form som liknar en gammal telefonkabel. När fibern upphettas eller kyls expanderar eller kontraherar HDPE ungefär fem gånger snabbare än elastomeren till vilken den är bunden, vilket tenderar att förkorta eller öka den totala längden på den lindade fibern.
när Anikeeva och hennes kollegor värmde en av sina fibrer med 14 grader Celsius över fyra sekunder, krympte den konstgjorda muskeln i total längd en hel del 50 procent. I andra tester värmde och kylde laget fibrerna för att lyfta lätta vikter eller böja en liten robotarm. Även om dessa tester lyfte gram-storlek vikter, massiva buntar av sådana fibrer kan användas för att utföra tyngre lyft eller rycka, Anikeeva säger. Fibrer med större diameter, eller buntar av dem, kunde hitta användningsområden inom robotik eller protesben, konstaterar hon.
ett annat team som rapporterade sitt arbete i veckans vetenskap tacklade konstgjorda muskler på ett helt annat sätt. Även om dess enheter byggdes runt en kärna av vridna fibrer, var den aktiva delen av muskeln faktiskt en tunn mantel av material som omger kärnan. Att använda en sådan mantel hade flera fördelar, säger Ray Baughman, lagledare och materialforskare vid University of Texas i Dallas. För en sak, konstaterar han, det gör det möjligt för ingenjörer att använda billigare material för en fibers kärna. Han och hans kollegor har utvecklat manteldrivna muskler byggda runt kärnor gjorda av nylon -, siden-och bambugarn. Deras tester visar att valet av material för en fibers kärna inte dramatiskt påverkar dess prestanda.
det finns andra skäl att bygga manteldrivna muskler, säger Baughman. Utsidan av fibern är där miljöstimuli, såsom fuktighet eller närvaron av vissa ämnen som driver sin rörelse, kommer att kännas snabbare, förklarar han. Svullnad och krympning i manteln, som ligger längst bort från fiberns centrum, kommer också att utöva mer hävstång än motsvarande förändringar nära fiberns kärna.
till skillnad från de andra lagen utvecklade Baughman och hans kollegor fibrer som svarar på mer än bara temperaturförändringar. Vissa sportade muskelmantlar som sväller när de utsätts för etanolånga; andra var fanerade med ett material som krymper när det blötläggs i en glukoslösning. Dessa typer av fibrer kan användas för att öppna eller stänga ventiler i medicintekniska produkter eller för att pressa en liten påse och dispensera ett läkemedel. Fibrer som svarar på svett eller vattenånga kan vävas in i ”smarta tyger” som justerar tätheten i väven för att bli mer andningsbara under heta, fuktiga förhållanden, säger Baughman. Alternativt kan beläggningar som svarar på skadliga ångor dra åt ett tygs väv för att skydda människor som svarar på ett kemiskt spill.
”jag är väldigt exalterad över utvecklingen” som rapporterats av dessa lag, säger Tawfick. ”Denna teknik har en mycket ljus framtid.”
