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纳米结构纤维可以模仿人体肌肉
2022年06月25日    阅读量:2054    新闻来源:中国建材网 cnprofit.com  |  投稿

模仿人体,特别是控制肌肉运动的致动器,在全球引起了极大的兴趣。近年来,它带来了许多改进机器人、假肢等方面的创新,但制造这些执行器通常涉及复杂的过程,并且使用昂贵且难以找到的材料。


德克萨斯大学奥斯汀分校和宾夕法尼亚州立大学的研究人员创造了一种新型纤维,可以像肌肉执行器一样工作,在很多方面都比当今存在的其他选择更好中国建材网cnprofit.com。而且,最重要的是,这些类似肌肉的纤维易于制造和回收利用。


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在Nature Nano上发表的一篇新论文中,研究人员表明,与目前的纤维相比,他们最初在另一个项目中发现的这些纤维更有效、更灵活,并且能够处理更大的应变。这些纤维可以以多种方式使用,包括医学和机器人技术。


“你基本上可以在机器人中用这些纤维构建一个对刺激做出反应并返回能量的肢体,而不是使用机械马达来做到这一点,这很好,因为那样它会有更柔软的触感,”助理 Manish Kumar 说科克雷尔工程学院土木、建筑和环境工程系教授,也是该论文的主要作者之一。


这种机械臂可用于辅助外骨骼,帮助手臂较弱的人恢复运动和力量。研究人员说,另一种潜在的应用可能是一种“自闭合绷带”,可用于外科手术,一旦伤口愈合,就会在体内自然降解。


“执行器是在任何外部刺激下会发生变化或变形的任何材料,例如会收缩、弯曲或膨胀的机器部件,”宾夕法尼亚州立大学材料科学与工程助理教授、该论文的通讯作者 Robert Hickey 说. “对于机器人等技术,我们需要开发这些材料的柔软、轻质版本,这些材料基本上可以充当人造肌肉。我们的工作实际上是寻找一种新的方法来做到这一点。”


纤维材料被称为嵌段共聚物。创建它只需将聚合物放入溶剂中,然后加入水。聚合物的一部分是亲水的(被水吸引),而另一部分是疏水的(耐水)。聚合物基团的疏水部分聚集在一起以保护自己免受水的影响,从而形成纤维的结构。


类似的现有纤维需要电流来刺激将部件粘合在一起的反应。与研究人员的新纤维相比,这种化学交联更难发生,这是一种机械反应,这意味着部件自己负责大部分工作。另一个额外的好处是可以很容易地逆转该过程并将纤维碎片恢复到其原始状态。


“从聚合物中制造这些纤维的便利性及其可回收性非常重要,这是其他许多复杂的人造肌肉研究都没有涵盖的一个方面,”库马尔说。


研究人员发现,他们的纤维在将能量转化为运动方面的效率提高了 75%,能够处理 80% 以上的应变,并且可以比当前的执行器以更大的速度和更大的力旋转。它可以在断裂之前伸展到其长度的 900% 以上。


这一发现是在研究人员正在研究其他事情时发生的。他们试图使用这些聚合物制造用于水过滤的膜。然而,他们制造的结构对于膜来说太长了。它们伸展到原来长度的五倍并保持原来的长度。研究人员注意到这些特征与肌肉组织相似,因此他们决定转移焦点。


研究人员处于该项目的早期阶段,他们接下来计划更多地了解聚合物的结构变化并改善一些驱动特性,包括能量密度和速度。他们还可以使用相同的设计技术来创建响应不同刺激(例如光)的执行器。


McKetta化学工程系教授Venkat Ganesan和航空航天工程与工程力学系教授Rui Huang是团队中的其他德克萨斯工程师。来自宾夕法尼亚州立大学的团队还有 Chao Lang、Elisabeth Lloyd、Kelly Matuszewski 和 Yifan Xu。空军科学研究办公室、国家科学基金会和宾夕法尼亚州立大学资助了这项研究。


标签:今日头条
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