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受黄瓜启发科学家打造新型人造肌肉 可提起自重650倍物体

发布于 2019-07-16 14:55

麻省理工学院(MIT)的科研人员在为机器人开发新型人造肌肉的时候,从我们日常生活中比较常见的一种植物中得到启发,从而大大增强了人造肌肉的韧性,只要稍微加热十几度,就能自由伸缩,进而拉动自重650倍的物体。这种植物就是黄瓜。自然MIT科研人员并非对常见于三明治和沙拉中的黄瓜感兴趣,而是缠绕在黄瓜果实上的紧密盘绕的卷须,它通过螺旋状的拉伸能够承受黄瓜生长的重量。

人造肌肉并非是什么新鲜的概念。它能够让机器人、假肢和其他设备更轻、响应更快、效率更高,这意味着工程师们已经试图远离马达,齿轮和滑轮,转而采用与生物体更相似的东西。
 
为此近年来微型液压系统,形状记忆合金,伺服机构,气动和聚合物等领域得到了井喷式发生,但是这种东西往往更重、更慢,并且不像人们希望的那样强烈和敏感。
 
因此,一支由麻省理工学院教授和研究生组成的团队决定采用一种新技术,该技术使用由非常可拉伸的环状共聚物弹性体和更硬的热塑性聚乙烯制成的拉伸纤维线圈。
 
这些聚合物对热敏感,但在热和冷的反应中以不同的速率膨胀和收缩。原理与老式恒温器,烤面包机或祖父钟中的自校正摆件中的双金属条相同。简而言之,当钢绞线被加热时,一侧比另一侧膨胀得更快并且弯曲。
 
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C.CemTa?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。
 
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。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。
 
因此,未来这种材料完全可以用在机械臂、残疾人的假肢等场景下。另外,研究人员还表示,在医疗场景中,这种材料也能用在微型医学设备中,比如进入动脉做手术的医疗机器人等。最后,研究人员还说,由于它的原理是两种材料的热膨胀率不同,因此如果加以改进,尝试不同的原料,就可以造出类似的许多种材料。
 
这项研究出版在最新的Science期刊中。
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