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[资讯].麻省理工学院研究人员发明人造肌肉纤维可用于机器人手臂

2022年11月24日 茂名机械设备网

今天,Science封面发表重磅研究:MIT的研究人员发明了一种“人造肌肉纤维”,温度改变即可伸缩,而且非常轻巧,可以非常快速地响应。这种人造肌肉可用于机器人手臂、假肢、医疗机器人等。你见过黄瓜生长吗?它有卷须,会顺着杆子或其他支撑物往上卷绕,确保自己能够接受更多的阳光照射。

黄瓜的卷须使其能够攀爬向上生长

现在,MIT的研究人员找到了模拟这种卷绕和拉伸的方法来产生可伸缩纤维,这可以为机器人、假肢或其他机械和生物医学的应用提供人造肌肉。虽然已经有许多创造人造肌肉的方法,比如液压系统,伺服马达,形状记忆金属和响应刺激的聚合物等,但它们都具有局限性,比容太重或响应时间太长。

研究人员表示:相比之下,这种基于纤维的新系统非常轻巧,可以非常快速地响应。今天,这项研究登上了《Science》封面。这种新纤维由MIT博士后Mehmet Kanik和研究生Sirma?rgü?等开发,与教授Polina Anikeeva,Yoel Fink,Anantha Chandrakasan和mTa?an合作。

原理简单,效果惊人:MIT人造纤维能举起650倍于自身的重量

研究人员使用纤维拉伸技术将两种不同的聚合物组合成单股纤维。该过程的关键是将两种具有非常不同的热膨胀系数的材料粘合在一起,这意味着它们在加热时具有不同的膨胀率。

纤维的内部结构

许多恒温器中都使用了该原理,例如,使用双金属片作为测量温度的方式。随着接合材料的加热,想要更快膨胀的一侧被另一种材料阻挡。结果就是,粘合材料会卷曲,朝向膨胀更缓慢的一侧弯曲。

实验中使用的两种聚合物是COCe和HDPE

使用两种不同的聚合物粘合在一起,分别是一种非常易拉伸的环状共聚物弹性体和一种更硬的热塑性聚乙烯,MIT研究人员制造了一种纤维,当拉伸到其原始长度的几倍时,自然形成一个紧密的线圈,与黄瓜产生的卷须非常像。研究人员称,这些基于纤维的致动结构是可控的,由热和光控制,可以举起自身体重650倍的重量,并能承受1000%的拉力。

意外收获:人造肌肉能拉伸10000次

研究人员第一次体验这种人造肌肉时,接下来发生的事情让他们十分惊喜。“这里面有很多意外的收获,”研究人员说。当Kanik第一次拿起盘绕的纤维时,他的手的温度就足以使纤维更紧地卷曲起来。

根据这一观察,他发现,即使温度只是稍稍升高,纤维也会收紧,产生惊人的强大拉力。然后,一旦温度下降,纤维就恢复到原来的长度。在随后的测试中,研究团队表明,这种收缩和拉伸的过程可以重复10000次,而且强度不会减弱。

研究人员说,能够重复如此多次的原因之一是“一切都在非常温和的条件下运行”,包括低激活温度。仅仅升高1摄氏度就足以使纤维收缩。这些纤维可以有多种尺寸,宽度从几微米(百万分之一米)到几毫米(千分之一米)不等,而且可以很容易地批量生产,最长可达数百米。

试验表明,一根纤维可以承受自身重量650倍的载荷。为了在单根纤维上进行实验,研究团队开发了专用的小型化测试装置。当纤维受热时发生的拉紧程度,可以通过确定给纤维的初始拉伸量来“编程”。这使得材料可以精确地调整到所需的力以及触发该力所需的温度变化量。

这些纤维是使用一个“纤维拉伸系统”制成的,因此将其他成分加入纤维中也是可能等。纤维拉伸是通过制造一个超大尺寸的材料,称为预成型件,然后加热到特定的温度,使材料变得粘稠。然后就可以像拉太妃糖一样将纤维拉出,同时使纤维保持其内部结构,只是宽度比预成型件小很多。

获得一根纤维弹簧的冷拉工艺。步骤1至4显示拉伸过程,步骤5 - 8显示释放时,纤维形成了弹簧作为测试,研究人员在纤维表面涂上了导电纳米线格。这些格可以用作传感器,以显示纤维所经历或施加的确切张力。未来,这些纤维还可以包含加热元件,如光纤或电极,提供一种内部加热的方式,而无需依赖外部热源来激活“肌肉”的收缩。

无限可能:人造肌肉可用于机器人手臂、假肢等

这种人造肌肉纤维可以用作机器人手臂、腿或夹持器中的致动器,也可以用作假肢的部件,因为它们重量轻,反应速度快,具有显著的优势。如今,一些假肢的重量可达13公斤,其中大部分重量来自致动器,通常是气动或液压的;因此,对于使用假肢的人来说,更轻的致动器可以使他们的生活更便利。

研究人员说:“这种纤维还可以应用于小型生物医学设备,比如进入动脉后再被激活的医疗机器人。”这种人造纤维的激活时间是几十毫秒到几秒,取决于尺寸。为了提供更大的强度来承受更重的负荷,纤维可以捆绑在一起,就像肌肉纤维在身体中是捆绑着的一样。该团队成功地测试了100根纤维捆绑在一起的纤维束。

通过纤维拉伸过程,传感器也可以植入到纤维中,从而能够对它们遇到的情况提供反馈,例如在假肢。研究人员表示,带有闭环反馈机制的纤维束可以应用于需要自动化和精确控制的机器人系统中。这类材料的可能性实际上是无限的,因为几乎任何两种热膨胀率不同的材料的组合都可以起作用,这是一个可以探索各种可能组合的广阔领域。研究人员说,这个新发现就像打开了一个新窗口,却看到“更多其他的窗口”等着被打开。

文章来源:新智元

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