基于强大纤维收缩的人造肌肉可以促进机器人技术和假肢的发展。信贷:菲利斯弗兰克尔
剑桥,质量。-当黄瓜生长时，它会长出紧紧盘绕的卷须，这些卷须寻找支撑，以便将黄瓜向上拉。这确保植物获得尽可能多的阳光照射。现在，麻省理工学院(Massachusetts Institute of Technology)的研究人员已经找到了一种方法，可以模仿这种盘绕和拉扯的机制，生产出可收缩的纤维，这些纤维可以用作机器人、假肢或其他机械和生物医学应用的人造肌肉。
虽然有许多不同的方法用于创建人造肌肉包括液压系统、伺服电机、形状记忆金属和聚合物刺激在美国，它们都有局限性，包括高权重或慢响应时间。研究人员说，相比之下，这种新的基于纤维的系统非常轻，反应非常迅速。研究结果发表在今天的杂志上科学类．
这种新型纤维是由麻省理工学院博士后Mehmet Kanik和研究生Sirma Örgüç与Polina Anikeeva、Yoel Fink、Anantha Chandrakasan和C. Cem Taşan合作开发的。该团队还包括麻省理工学院研究生Georgios Varnavides，博士后Jinwoo Kim，本科生Thomas Benavides, Dani Gonzalez和Timothy Akintlio。他们使用一种纤维拉伸技术将两种不同的聚合物结合成一股纤维。
资料来源:麻省理工学院的研究人员提供
这个过程的关键是将两种热膨胀系数截然不同的材料组合在一起，这意味着它们在受热时的膨胀率不同。这与许多恒温器使用的原理相同，例如，使用双金属条作为测量温度的方法。当结合的材料升温时，想要更快膨胀的那一边被另一种材料挡住了。结果，粘合的材料卷曲起来，向膨胀较慢的一侧弯曲。
使用两种不同的聚合物结合在一起，一种非常具有延展性的环状共聚物弹性体和一种更硬的热塑性聚乙烯，Kanik， Örgüç和同事们生产出了一种纤维，当被拉伸到原来长度的几倍时，它会自然地形成一个紧密的线圈，非常类似于黄瓜的卷材。
人造肌肉的惊喜
但当研究人员第一次体验到它时，接下来发生的事情实际上是一个惊喜。”这里面有很多意外，”安妮基娃回忆道。
当Kanik第一次拿起卷曲的纤维时，仅仅是他手上的温度就使纤维卷得更紧了。接着观察，他发现，即使是很小的温度上升也会使线圈绷紧，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。
在后来的测试中，该团队显示，这种收缩和扩张的过程可以重复10000次，“而且仍然很强劲，”安妮基娃说。
她说，长寿的原因之一是“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摄氏度就足以开始纤维收缩。
这种纤维的尺寸范围很广，从几微米(一米的百万分之一)到几毫米(一米的千分之一)不等，而且可以很容易地批量生产数百米长。测试表明，一根纤维能够举起高达其自身重量650倍的重物。对于这些针对单个纤维的实验，Örgüç和Kanik开发了专用的微型测试装置。
资料来源:麻省理工学院的研究人员提供
当纤维被加热时，收紧的程度可以通过确定给纤维多少初始拉伸来“编程”。这使得材料可以精确地调整到所需的力和触发该力所需的温度变化量。
这种纤维是使用纤维拉丝系统制成的，这使得它可以将其他部件合并到纤维中。纤维拉伸是通过创造一种被称为预制体的超大版本的材料来完成的，然后将其加热到特定的温度，使材料变得粘稠。然后，就像拉太妃糖一样，把它拉出来，创造出一种纤维，保持其内部结构，但只是预制件宽度的一小部分。
为了测试目的，研究人员在纤维上涂上导电纳米线网。这些网格可以用作传感器，以揭示纤维所经历或施加的确切张力。在未来，这些纤维还可能包括光纤或电极等加热元件，提供一种无需依赖任何外部热源来激活“肌肉”收缩的内部加热方式。
潜在的应用
这种人造肌肉纤维可以用于致动器在机械臂、腿或夹具中，以及假肢，它们的重量轻，响应速度快，可以提供显著的优势。
如今，一些假肢的重量可达30磅，其中大部分重量来自执行机构，通常是气动或液压执行机构；因此，重量更轻的执行器可以使使用它的人的生活更加轻松假肢．
资料来源:麻省理工学院的研究人员提供
安尼克娃说:“这种纤维还可以应用于微型生物医学设备，比如一种进入动脉然后被激活的医疗机器人。”“我们的激活时间在几十毫秒到秒的量级，”这取决于尺寸。
为了提供更大的力量来提升更重的负载，纤维可以捆绑在一起，就像肌肉纤维捆绑在体内一样。该团队成功地测试了100束纤维。
通过纤维拉伸过程，传感器也可以被整合到纤维中，以提供它们遇到的情况的反馈，比如在假肢中。Örgüç表示，带有闭环反馈机制的捆绑肌肉纤维可以应用于需要自动化和精确控制的机器人系统。
Kanik说，这类材料的可能性几乎是无限的，因为两种具有不同热膨胀率的材料的几乎任何组合都可以工作，留下了一个广阔的可能组合领域来探索。他补充说，这一新发现就像打开了一扇新窗户，却只看到“一堆其他的窗户”等着被打开。
“这项工作的优势在于它的简单性，”他说。
这项研究得到了美国国家神经疾病和中风研究所以及美国国家科学基金会的支持。
编者按:本文经麻省理工学院新闻部许可重新发表。
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