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MIT“人造肌肉”可提起自重650倍物体,伸缩10000次,原理却很简单

最近麻省理工学院的研究团队开发出了一款人造肌肉纤维,可以提起自身重量650倍的重物,这种纤维可随着温度的改变而伸缩,且相应快速,或将适用于机器人、假肢、生物医学设备等。

作者:风雨抚蕖

编辑:Monday

在仿生这条道路上,机器人学家似乎一直都在保持着自己的节奏,按部就班的进行着相关的研究。

最近,麻省理工学院研究团队的一项关于人造肌肉纤维的研究刊登在了Science的封面上。

这种可编程的人造肌肉为仿生机器人家族再添全新“部件”,为机器人添上筋脉,或将加速机器人,触觉和假肢的发展。

这款纤维通过不同材料对热膨胀的差异,模拟植物卷须的卷绕和拉动机制来产生收缩效果

未来可以作为机器人、假肢和其他机械和生物医学应用的人造肌肉。

更轻更快更小更接近真实

创造人造肌肉并非新鲜事儿,前不久我们就报道了通过液压系统和原电池原理结合的机器血液系统,它极大的提高了机器人能量密度

目前通过液压系统,伺服马达,形状记忆金属和响应刺激的聚合物制作的人造肌肉都具有局限性,包括高重量或慢响应时间。

相较之下,研究人员表示,新的基于光纤的系统非常轻巧,可以非常快速地响应。

“性格差异”为材料带来强劲动力

为了制作这种纤维,研究人员将两种热膨胀系数相差极大的材料——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配合在一起,结合成一股纤维。

“截然不同”的性格使得它们在加热时会具有不同的膨胀率。随着结合材料的加热,膨胀更快的一侧会给膨胀较慢的一侧产生较大的压力,使得结合材料朝向更缓慢膨胀的一侧弯曲,一旦温度回落,纤维就恢复到原来的长度。

其灵敏度很高,仅用体温就能引起明显的弯曲,事实上只需1摄氏度的增加即可开始纤维收缩。

此外加热纤维时产生的紧固程度可以通过确定纤维的初始拉伸的多少来“编程”。

更重要的是,目前的研究表明,这些基于纤维的执行器具有热和光学可控性,可以提升超过自身重量的650倍!

银纳米导电网,反馈纤维性能——拉伸万余次

为了更好的反映纤维的性能,研究人员将一种银纳米(AgNW,直径= 70nm和长度=50μm)线构成的导电网直接沉积在纤维肌肉的表面上,然后再沉积聚二甲基硅氧烷(PDMS)弹性体作为保护性可拉伸层。

随着肌肉纤维的收缩和伸长变化,表面的导电网也会相应的变化,由此导电网的电阻变化就反映了肌肉纤维的性能。

再将纤维肌肉的一端连接到直流电机,并由分压器记录电阻值的变化。

压阻应变反馈表明,目前的肌肉纤维能承受大于1000%的应变,并重复10000次。

由简向繁,未来无限可能

虽然能够拉起自身重量650倍的重物,但是一根纤维的力量也极其有限,也不过微牛级的大小。

为了提供更大的强度来提升更重的负荷,纤维可以捆绑在一起,就像肌肉纤维捆绑在体内一样。该团队成功测试了100根光纤束。

未来,这些纤维还可以囊括加热元件。例如电极,提供在内部加热它的方式,而不必依赖任何外部热源来激活“肌肉”的收缩。

这种纤维还可以用作机器人手臂,腿或夹子中的致动器,也可用作假肢的制动器,为它们提供快速的响应。

今天的一些假肢可以重达30磅,其中大部分重量来自致动器; 因此,重量较轻的致动器可以让假肢佩戴者使用起来更方便。

这种纤维也可用于微小的生物医学设备,例如通过进入动脉然后被激活的医疗机器人。

正如研究人员Mehmet Kanik所说,这种材料的可能性几乎是无限的,因为几乎任何具有不同热膨胀率的材料的组合都适用,具有广阔的探索空间。

来源:机器人大讲堂