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人造肌肉的新进展

来源:环球科学
微型人造肌肉在收缩时比人的肌肉更容易产生力量(图片来源:Pixabay)
虽然电子产品已经变得越来越小,但马达、液压系统和其他驱动装置却无法顺应这个趋势。制造及装配一个能提供动力并能解决驱动微小活动部件所需压力的微型机械非常困难。本周的《科学》杂志上,一些研究团队展示了在制造小型人造肌肉方面的进展——这些人造肌肉都使用了微型合股纤维来储存和释放能量。这些纤维的用途很广,从微型机器人到医学设备中的瓣膜都可以用到它们。
这些纤维通常包括轻量级聚合物,比如尼龙或者高密度聚乙烯,基于其自身重量,它们可能比人类肌肉更强壮。来自伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的机械工程师Sameh Tawfick说,在收缩时一些纤维可以举起比自身重1000倍的重物。利用这些纤维工程师能够将大量的能量储存到很小的空间中, “这让他们可以做到他们之前做不到的事” ,Tawfick说道,他还与别人合作撰写了一篇相关研究展望,发表在同期《科学》杂志上。
在这些新型人造肌肉的设计中,有一款设计在本质上就是一种用于推动轻木飞机的小型高科技橡皮筋。法国波尔多大学的材料学家Jinkai Yuan表示这些纤维每次在使用时不需要扭曲。相反,它们由一种“形状记忆”的聚合物制成,并可以随着材料的温度变化而扭曲和松解。
以下是Yuan团队制作人工肌肉的方法:第一步,研究人员将一个长2厘米、直径40微米的由聚乙烯醇(PVA)材料制成的纤维加热到编程温度。(在此温度以上,材料会自然地形成一种形状;反之,材料则形成另一种形状。如果温度在临界值附近波动,材料会在两种形状间转换。) 在扭转纤维以储存能量后,他们冷却纤维来维持形状。Yuan说,当纤维再一次被加热到编程温度之上时,它会迅速解旋并恢复原状。
尽管PVA纤维能够存储大量的能量,但研究组发现,将3到5微米大小的氧化石墨烯薄片加入到材料中,可以让纤维锁闭的更久。这是因为当纤维开始扭曲时这些薄片也会弯曲,因此可以像弹簧一样存储能量,但当纤维松解时这些能量就会被释放出来。在小组的实验室测试中,一个松解的纤维使一小块纸以每分钟600转的转速旋转了整整5秒。为了证明这种纤维的能量储蓄能力,研究小组用其驱动一艘玩具小船。Yuan认为,更实际的是这种人造肌肉还可以打开或关闭医学装置中的微型瓣膜。
Yuan和他的同事制作的纤维在扭转和解卷时会产生扭矩,然而其他团队制造的人工肌肉工作起来更像真正的肌肉:它们通过拉动或举起物体来工作。一支由麻省理工研究人员带领的团队创造了能在原尺寸上拉伸1000%,还能举起比自身重650倍重物的纤维。麻省理工学院的材料科学家兼此研究的资深作者Polina Anikeeva表示,它们的工作原理与早期恒温控制器中的双金属条相似:此纤维是通过粘合两种随着温度变化,膨胀速率大相径庭的材料制成的。
她团队的新型人造肌肉中含有一种高密度聚乙烯(HDPE),与被用来制造可回收瓶子的塑料一样。Anikeeva说新型人造肌肉还含有一种被叫做弹性体的弹性聚合物。当小块这种物质被加热并通过狭窄的喷嘴拉伸时,它们结合并扩展成为一个细长纤维。当纤维的强度被释放时,弹性体就会收缩到原有的尺寸。这种变化反过来会使纤维缠绕成为一个类似于旧电话线的弹簧形状。当纤维被加热或冷却时,高密度聚乙烯便会以5倍于其粘合的弹性体的速度进行扩张或收缩,这会分别缩短或增加螺旋纤维的总长度。
当Anikeeva和她的同事在4秒内将一个纤维加热14摄氏度时,人造肌肉的整体长度收缩了50%之多。在其他测试中,研究组对纤维进行加热和冷却,以举起重量较轻的物品或使小型机械臂收缩。虽然在这些测试中人造肌肉举起的是克级重物,但Anikeeva表示这些纤维的大规模捆绑束可以被用来举起或牵引更重的东西。她指出,更大直径的纤维,或者大量的纤维束可以在机器人或义肢中找到用途。
另一支研究组以完全不同的人造肌肉处理方式在这周的《科学》杂志上发表了其研究成果。尽管它的器械是以扭曲的纤维为核心建造的,但肌肉的活跃部分实际上是包围着核心的一个微薄的鞘层。研究组组长兼德克萨斯大学达拉斯分校的物质学家Ray Baughman指出,使用这种鞘层有几个好处。第一,它使得工程师能用更便宜的材料制作纤维核心。他和他的同事已研发出由尼龙、丝线和竹纱线制成的围绕核心打造的鞘驱动人造肌肉。他们的测试表明,纤芯材料的选择对其性能并无显著影响。
Baughman说,打造鞘驱动肌肉还有其他的理由。纤维的外部会接受环境因素的刺激,例如湿度或者驱动纤维运动的某些物质,这些会被迅速感觉到,他解释道。此外,距离纤维中心最远的鞘层的膨胀和收缩会比靠近纤芯的等效变化引发更多的杠杆作用。
与其他研究组不同,Baughman及其同事研发出的纤维不仅仅对温度的变化做出反应。有些肌肉鞘暴露在酒精蒸汽中会膨胀;而另一些肌肉鞘在葡萄糖溶液中会收缩。这些纤维可以用来打开或者关闭医学器械中的瓣膜,或者用来挤压小袋分发药物。Baughman说,能对汗水或水蒸气产生反应的纤维可以织入“智能织物”,从而调整织物的紧密度,加强其在湿热环境中的透气性。另外,对有害蒸汽产生反应的涂层可以加强织物的编织强度以保护人们不受到化学泄露的影响。
Tawfick说,“我对这些团队取得的进展极其兴奋,这项科技的前景十分光明。”
作者:Sid Perkins ,田纳西州克罗斯维尔的一位作家,他经常写关于地球、行星科学、材料科学和古生物学相关的文章。
翻译:蔡金哲
审校:孙雨漠
引进来源:科学美国人
本文来自:环球科学
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