В перспективной статье, опубликованной 26 сентября в онлайн-журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, группа ученых из Института нанотехнологий Алана Дж. Мак-Диармида UT Далласа описывает путь к разработке нового класса искусственных мышц, сделанных из сильно скрученных волокон различные материалы, начиная от экзотических углеродных нанотрубок и заканчивая обычной нейлоновой нитью и полимерной леской.
Поскольку искусственные мышцы могут быть разных размеров и конфигураций, потенциальные области применения варьируются от робототехники и протезирования до потребительских товаров, таких как интеллектуальные ткани, которые меняют пористость и форму в зависимости от температуры.«Мы называем эти активирующие волокна« искусственными мышцами », потому что они имитируют волокнистый форм-фактор естественных мышц», — сказал доктор Картер Хейнс, доцент Института нанотехнологий и со-ведущий автор статьи PNAS. ассоциированный доктор На Ли. «Хотя название вызывает идею роботов-гуманоидов, мы очень рады возможности их использования в других практических целях, например, в интеллектуальных тканях следующего поколения». Наука, основанная на древнем искусстве
Прядение меха животных и растительных волокон для изготовления ниток и пряжи насчитывает тысячи лет. Выравнивание волокон и последующее скручивание их в пряжу придает пряжи прочность.
Используя эту концепцию и добавив науки 21-го века, исследователи UT Dallas создали активную мышечную пряжу, которую, как и их шерстяные аналоги, можно ткать, сшивать и связывать в ткани.Например, углеродные нанотрубки по сути представляют собой усики крошечных полых трубок, которые обладают сверхпрочностью и электропроводностью.
В 2004 году под руководством доктора Рэя Боумана, директора Института нанотехнологий и почетного кафедры химии Роберта А. Уэлча в UT Даллас, команда разработала метод вытягивания «леса» из нанотрубок в листы выровненных волокон. как кардная шерсть — а затем скручивайте листы в пряжу.Затем группа обратилась к полимерным волокнам, таким как нейлоновая швейная нить и леска, которые состоят из множества отдельных молекул, выровненных по длине волокна.
Скручивание нити или лески ориентирует эти молекулы в спирали, создавая скручивающие или вращательные искусственные мышцы, которые могут вращать тяжелый ротор со скоростью более 100 000 оборотов в минуту.Когда эти мышцы настолько сильно скручены, что они скручиваются, как излишне скрученная резинка, они могут вызвать срабатывание растяжения, при котором мышца резко сокращается по своей длине при нагревании и возвращается к своей исходной длине при охлаждении. Это исследование, опубликованное в 2014 году, показало, что простые и недорогие мышцы, сделанные из лески, могут поднимать в 100 раз больший вес и генерировать в 100 раз большую механическую мощность, чем скелетные мышцы человека той же длины и веса.
«Успех наших мышц обусловлен их особой геометрией и тем фактом, что мы начинаем с материалов, которые являются анизотропными — когда они нагреваются, материалы расширяются в диаметре намного больше, чем они расширяются по своей длине», — сказал Боуман, старший автор книги. перспектива PNAS. Эта анизотропия является неотъемлемым свойством высокопрочных полимерных волокон и является тем же принципом, который движет мощными искусственными мышцами, обнаруженными исследователями в 2012 году, которые они создали путем добавления термочувствительного «гостевого» материала в нить из углеродных нанотрубок.«Когда эти волокна затем скручиваются и скручиваются, их внутренняя геометрия изменяется так, что при нагревании это расширение диаметра приводит к изменению длины», — сказал Боуман. «Диаметр волокна должен увеличиться всего на 5 процентов, чтобы добиться гигантских изменений длины».Последний поворот
В своих последних экспериментах, впервые описанных в статье PNAS, Хейнс и Ли добавили новый поворот к своим искусственным мышцам. «Спиральные искусственные мышцы, которые мы изначально делали из лески и нейлоновой швейной нити, были ограничены в степени, в которой они могли расширяться и сжиматься по своей длине», — сказал Хейнс. «Из-за своей геометрии — как у телефонного шнура — они могли сжаться только до того, как катушки начали сталкиваться друг с другом».Решение: сформируйте спиральные приводы из спиралей.«Преимущество спиральной формы в том, что теперь наша мышца может сокращаться до плоского состояния, расширяться в другом направлении и возвращаться к своей первоначальной длине, и все это без застревания», — сказал Ли. «Наши эксперименты на сегодняшний день подтвердили правильность концепции, но уже показали, что мы можем использовать нагрев и охлаждение для обеспечения этого возвратно-поступательного движения в гигантском диапазоне. Этот тип телескопического привода может производить более 8600 процентов изменения в длину, по сравнению с примерно 70 процентами у наших предыдущих катушек ».
Умная ОдеждаЛи сказал, что одним из возможных применений спиральной катушки может быть термочувствительная одежда. Вместо куртки с пуховым наполнителем пальто, которое включает в себя множество небольших катушек, может изменить верхний слой и изолирующую способность одежды в зависимости от температуры.
В лаборатории Хейнс и Ли изготовили катушки спиральных полимерных мышечных нитей, пригодных для шитья. «Мы показали, что эти термочувствительные волокна можно использовать в обычных машинах, таких как ткацкие станки, вязальные машины и швейные машины», — сказал Ли. «По мере того, как мы продвигаемся вперед в наших исследованиях и расширяем их масштабы, мы надеемся внедрить наши идеи в функциональные ткани и текстиль для различных целей, от одежды до экологически чистой архитектуры и динамичных художественных скульптур».