Künstliche „Muskeln“ erzielen starke Zugkraft: System des contracting-Fasern könnte ein Segen sein für biomedizinische Geräte und Robotik

Wie eine Gurke pflanze wächst, es sprießt eng gewickelten Ranken sich bemühen unterstützt, um ziehen Sie die pflanze nach oben. Dies gewährleistet die pflanze erhält so viel Sonneneinstrahlung wie möglich. Jetzt haben Forscher am MIT haben einen Weg gefunden, das zu imitieren, das wickeln-und-ziehen-Mechanismus zu produzieren contracting-Fasern, die verwendet werden könnten als künstliche Muskeln für Roboter, Prothesen oder andere mechanische und biomedizinische Anwendungen.

Während viele verschiedene Ansätze wurden verwendet für die Erstellung von künstlichen Muskeln, einschließlich der hydraulischen Systeme, servo-Motoren, shape-memory-Metalle und Polymere, die auf Reize reagieren, Sie alle haben Einschränkungen, einschließlich hohes Gewicht oder langsame Reaktionszeiten. Die neue Glasfaser-basierte system, durch Kontrast, ist extrem leicht und kann sehr schnell reagieren, sagen die Forscher. Die Ergebnisse werden berichtet heute in der Zeitschrift Wissenschaft.

Die neuen Fasern wurden entwickelt von MIT-postdoc Mehmet Kanik und MIT-Doktorand Sirma Örgüç, arbeiten mit Professoren Polina Anikeeva, Yoel Fink, Anantha Chandrakasan, und C. Cem Taşeinem, und fünf andere, mit einem Faser-Zeichnung-Technik zu kombinieren zwei unterschiedliche Polymere in einem einzigen Strang der Faser.

Der Schlüssel, um den Prozess der Paarung zusammen zwei Werkstoffe mit sehr unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten — das heißt, Sie haben unterschiedliche Preise von expansion, wenn Sie erhitzt werden. Dies ist das gleiche Prinzip verwendet in vielen Thermostaten, zum Beispiel, mit einem Bimetall als eine Möglichkeit der Messung der Temperatur. Wie das verknüpfte material erwärmt, die Seite, die will schneller expandieren wird zurück gehalten von dem anderen material. Als ein Ergebnis, das gebundene material locken bis, biegen in Richtung der Seite expandiert langsamer.

Die Verwendung von zwei verschiedenen Polymeren miteinander zu verbinden, sehr dehnbar cyclic copolymer-elastomer und ein viel steifer Thermoplast Polyethylen, Kanik, Örgüç und Kollegen produziert eine Faser, die, wenn gestreckt, um mehrmals seine ursprüngliche Länge, bildet natürlich auch selbst in eine enge Spule, sehr ähnlich zu den Ranken, die Gurken zu produzieren. Aber was dann geschah, kam tatsächlich eine überraschung, als die Forscher zum ersten mal erlebt es. „Es gab eine Menge von serendipity in diesem,“ Anikeeva erinnert.

Sobald Kanik abgeholt gewickelten Faser zum ersten mal, die Wärme seiner hand allein verursacht die Faser-curl-up mehr dicht. Nach dieser Beobachtung, fand er, dass selbst eine kleine Erhöhung der Temperatur könnte die Spule anziehen, produzieren eine überraschend starke Zugkraft. Dann, sobald die Temperatur ging wieder nach unten, wird die Faser wieder in seine ursprüngliche Länge. In späteren Tests zeigte das team, dass dieser Prozess von zusammenziehen und ausdehnen könnte wiederholt werden 10.000-mal „und es war immer noch stark,“ Anikeeva sagt.

Einer der Gründe für die Langlebigkeit, die Sie sagt, ist, dass „alles unter sehr milden Bedingungen,“ einschließlich der niedrigen aktivierungstemperaturen. Nur 1 Grad Celsius erhöht werden kann, genug, um die Faser Kontraktion.

Die Fasern können umfassen eine Breite Palette von Größen, von wenigen Mikrometern (Millionstel meter) um wenige Millimeter (Tausendstel meter) in der Breite, und kann leicht hergestellt werden in Stückzahlen bis zu hundert Meter lang. Tests haben gezeigt, dass eine einzelne Faser ist in der Lage das heben von Lasten von bis zu 650-mal sein eigenes Gewicht. Für diese Experimente auf einzelnen Fasern, Örgüç und Kanik entwickelt haben, gewidmet, miniaturisierter Test-setups.

Der Grad der Verschärfung, der Auftritt, wenn die Faser erhitzt wird, kann so „programmiert“, indem Sie bestimmen, wie viel von einer ersten Strecke zu geben, die Faser. Dies ermöglicht, das material abgestimmt werden, um genau den Betrag der Kraft benötigt, und die Höhe der Temperaturänderung benötigt, um trigger, die Kraft.

Die Fasern werden unter Verwendung einer Faser-zieh-system, welches es möglich macht, auch andere Komponenten in die Faser selbst. Faser-Zeichnung erfolgt, indem eine übergroße version des Materials, der sogenannten preform, die dann erwärmt wird, um eine bestimmte Temperatur, bei der das material wird zähflüssig. Es kann dann gezogen werden, ähnlich wie ziehen taffy, erstellen einer Faser, behält seine interne Struktur, sondern ist ein Bruchteil der Breite der preform.

Zu Testzwecken haben die Forscher überzogen die Fasern mit Maschen von leitfähigen Nanodrähten. Diese Netze können als sensoren benutzt werden, um zu zeigen den genauen Spannung erlebt oder ausgeübt wird, von der Faser. In der Zukunft werden diese Fasern könnten auch Heizung Elemente wie optische Fasern oder Elektroden, die Bereitstellung eine Art von Heizung es intern, ohne darauf zu verlassen, außerhalb der Wärmequelle zu aktivieren, die Kontraktion der „Muskel.“

Solche Fasern finden konnte, verwendet als Aktoren in der Robotik Arme, Beine, oder Greifer, und in Prothesen, wo Ihr geringes Gewicht und schnelle Reaktionszeiten bieten könnte, einen wesentlichen Vorteil.

Einige Prothesen können heute so viel Wiegen wie 30 Pfund, mit viel Gewicht aus Aktoren, die oft pneumatische oder hydraulische; leichtere Antriebe konnte somit das Leben viel einfacher für diejenigen, die mit Prothesen. Solche Fasern könnten auch Gebrauch finden in kleinen biomedizinische Geräte, wie ein medizinischer Roboter, der funktioniert, indem Sie in eine Arterie und dann aktiviert wird,“ Anikeeva schlägt. „Wir haben Aktivierungs-Zeiten in der Größenordnung von zehn Millisekunden bis Sekunden,“ je nach Größe“, sagt Sie.

Um mehr Kraft für das heben schwerer Lasten, die Fasern können gebündelt werden, wie viel Muskel-Fasern werden gebündelt in den Körper. Das team erfolgreich getestet Bündel von 100 Fasern. Durch die Faser-Zeichnung Prozess, sensoren könnten auch eingebunden werden in die Fasern feedback auf, Bedingungen, die Sie stoßen, wie eine Prothese des Körpers. Örgüç sagt gebündelten Muskelfasern, die mit einem closed-loop-feedback-Mechanismus finden konnte-Anwendungen in Robotersystemen, wo eine automatische und präzise Steuerung erforderlich sind.

Kanik sagt, dass die Möglichkeiten für Materialien dieser Art sind nahezu unbegrenzt, da sich fast jede Kombination von zwei Materialien mit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungen arbeiten konnte, und hinterließ ein riesiges Reich von möglichen Kombinationen zu entdecken. Er fügt hinzu, dass diese neue Erkenntnis war wie ein neues Fenster öffnen, nur um zu sehen, „eine Reihe von anderen windows“ wartet, geöffnet zu werden.

„Die Stärke dieser Arbeit kommt von seiner Einfachheit“, sagt er.