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MIT研發出最便宜人工肌肉:主要成分竟是尼龍纖維


MIT研發出最便宜人工肌肉:主要成分竟是尼龍纖維



人工肌肉(Artificial muscles)是一種收縮和伸展特性類似於人體肌肉纖維的材料,廣泛應用於機器人領域、汽車和航空工業零部件等。

近日,麻省理工學院(MIT)的研究人員研發出一套迄今為止最簡單、成本最低的「人工肌肉」材料系統,這種材料模擬了天然肌肉組織表現出的一些彎曲運動特性,其關鍵成分不僅便宜並且十分常見——即普通的尼龍纖維



MIT研發出最便宜人工肌肉:主要成分竟是尼龍纖維



該研究結果發表於國際期刊《先進材料》(Advanced Materials),論文作者包括麻省理工學院機械工程系教授伊恩·亨特(Ian Hunter)、博士生賽義德(Seyed Mirvakili)等,論文主要描述了研究者如何採用特殊的成形和加熱方法處理尼龍這種基本合成纖維材料使其具備模擬天然肌肉組織彎曲運動特性的性能

在此之前,其他研究者提出利用扭曲尼龍線圈來模擬天然那肌肉的基本線性運動特性,結果表明:對於給定的尺寸和重量,這樣尼龍纖維結構相比於天然肌肉伸展和收縮程度更大,並且能夠儲存和釋放更多的能量。然而,對於類似於人類手指和四肢的彎曲運動,結果卻難以實現,並且一直沒有研發出簡單、低成本的製造系統


當然,目前還有其他可用於模擬天然肌肉彎曲運動的材料,應用於一些生物醫學裝置或觸摸屏顯示器。然而,這些傾向於使用「外加材料」(exotic materials)實現模擬天然肌肉的方法都非常昂貴、並且難以製作,Mirvakili說。例如,碳納米管(CNT)紗線確實能夠提高使用壽命(超過一百萬個線性收縮循環),但是對於廣泛使用仍然太昂貴;又如,形狀記憶合金(SMA)雖然能夠提供強勁的收縮力,但是卻具有較差的循環壽命(少於1000個線性收縮循環)。



MIT研發出最便宜人工肌肉:主要成分竟是尼龍纖維



便宜、簡單又好用

相比之下,MIT新型尼龍材料「人工肌肉」僅使用便宜的材料和簡單的製造工藝,就能表現出極好的循環壽命。其中,「秘制配方」在於如何進行尼龍纖維的成形


很多聚合物纖維材料(包括高度定向排列性尼龍)都具有一個非比尋常的性能:加熱時,纖維長度收縮而直徑膨大。這個屬性常被用來製造一些線性致動器,但是,將線性收縮運動轉化為彎曲暈的則需要諸如滑輪和卷帶盤的機構。如此一來,系統增加了額外的尺寸、複雜性和成本。MIT團隊的創新在於直接利用纖維的運動,而不需要額外的機械部件


然而,這種材料製成的線性致動器有一個局限性加熱觸發其收縮之後,纖維本身需要一定的時間冷卻下來。「冷卻速度是一個限制因素,但我意識到可以反過來將劣勢變為優勢。」Mirvakili說。通過選擇性地加熱尼龍纖維的單側,會使該側收縮的速度比熱量傳遞到另一側的速度快,因此可以產生彎曲運動。通過這些性能的組合,能夠同時獲得高應變(指收縮運動)和低導熱性。


為了使這種尼龍纖維繫統更有效地作為「人工肌肉」工作,纖維的橫截面必須要謹慎的成形。MIT研究團隊最初使用普通的尼龍釣魚線,壓縮使其橫截面從圓形變為矩形或正方形。然後,選擇性地加熱纖維的一側導致其在該方向上彎曲。此外,改變加熱的方向也可以產生更複雜的運動。據稱,MIT研究團隊在實驗室測試中,使用這種加熱技術使「人工肌肉」以圓形和「8」 字形軌跡移動並且很容易實現其他更複雜的運動模式


其中,各種熱源都適宜該系統,包括電阻加熱、化學反應或激光照射燈絲等。例如,研究人員使用特殊的導電塗料塗覆在纖維上並通過樹脂粘合劑固定在合適位置,當對導電材料施加電壓時,則選擇性地加熱纖維塗覆導電塗料的部分,實現特定的彎曲運動

循環壽命長


研究表明,該「人工肌肉」材料在至少100,000個彎曲循環之仍然保持其良好的性能,並且能以每秒至少17個循環的速度彎曲和收縮


據亨特稱,這種纖維還可以應用於服裝材料,根據個體身材輪廓進行特定的貼服和收縮,這將大大減少服裝製造商需要生產不同尺寸服裝的數量,同時改善舒適性和貼合性。或者,這種纖維還可以用在鞋子中,那麼穿鞋時、或者在每個步幅期間,材料都可以調整其剛度和形狀,達到最佳貼合狀態。


此外,這種材料系統還可用於自動調節式導管或其他生物醫學裝置。從長遠來看,甚至還可用於改善機械系統,例如車輛外部面板,使其自動調整空氣動力學形狀以適應速度和風況的變化;或者,用於太陽能電池板的自動跟蹤系統,使用太陽能面板本身產生的熱量自動形變,以保持面板對準太陽。

澳大利亞伍倫貢大學(University of Wollongong)教授傑弗里·史平可斯(Geoffrey Spinks)說:「這種方法新穎而優雅,有非常好的實驗數據,也有由適當物理學模型支撐。這是一個簡單、並且效果很好的想法,材料便宜、製造方法簡單且通用,並且只需簡單的電輸入就能實現致動。此外,彎曲運動性能在彎曲角度、彎曲力以及速度方面,都十分令人印象深刻。」


史平可斯補充說,「通常,彎曲型執行器需要機器人夾具、微型工具以及各種機器組件。而這種新的彎曲致動器(不需要額外的附件)可以立即應用。」


紐西蘭奧克蘭大學生物工程副教授安德魯·塔伯納(Andrew Taberner)說,這稱的上是「令人興奮並且改變遊戲規則」的發現。不難想像,這種致動器在醫療和儀器領域有許多應用。他說:「我期望這項工作將被高度引用


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