MIT erzeugt künstliche Nylonmuskelfasern

Künstliche Muskeln sind Materialien, die sich wie Muskelfasern zusammenziehen und zusammenziehen können. Sie können in vielen Bereichen eingesetzt werden: von Robotikkomponenten bis hin zur Automobil- und Luftfahrtindustrie. Forscher am Massachusetts Institute of Technology sagten, sie hätten das einfachste und billigste System entwickelt, um solche "Muskeln" zu erzeugen.

Eine Schlüsselkomponente, aus der MIT-Wissenschaftler künstliche Muskelfasern herstellten, ist eine kostengünstige und weit verbreitete Nylonfaser. Ein neuer Ansatz zur Verwendung dieses Materials ist die Bildung und Erwärmung von Fasern auf bestimmte Weise.


Zuvor entwickelten die Forscher das Prinzip, verdrehte Spiralen aus Nylonfäden zu verwenden, um die fortschreitende Arbeit der Muskeln nachzuahmen. Sie zeigten, dass sich solche Geräte bei einer bestimmten Größe und einem bestimmten Gewicht ausdehnen und zusammenziehen, mehr Energie speichern und abgeben können als natürliche Muskeln. Die Biegebewegungen der Finger und Gliedmaßen einer Person zu wiederholen, ist jedoch eine schwierigere Aufgabe. Laut MIT-Forschern war bisher niemand in der Lage, dieses Problem einfach und kostengünstig zu lösen.

Es gibt Materialien, mit denen Biegebewegungen in biomedizinischen Geräten oder taktilen Displays reproduziert werden können. Meistens sind diese Materialien jedoch „exotisch“ und teuer, es ist schwierig, sie herzustellen. Zum Beispiel Kohlenstoffnanoröhren- langlebiges Material, das mehr als einer Million Kompressionszyklen standhält, aber für eine weit verbreitete Verwendung immer noch zu teuer ist. Formgedächtnislegierungen sorgen für starke Spannung, halten aber nur 1000 Zyklen stand.

Das neue System verwendet billiges Material und einen einfachen Herstellungsprozess. Nylon kann aufgrund des Verfahrens zur Bildung von Nylonfasern eine ausreichende Anzahl von Zyklen aushalten. Einige Materialien aus Polymerfasern, einschließlich Nylon, haben eine ungewöhnliche Eigenschaft: Beim Erhitzen nehmen sie an Länge ab, dehnen sich jedoch im Durchmesser aus. Einige Wissenschaftler haben diese Eigenschaft verwendet, um Linearantriebsvorrichtungen zu erstellen. Um lineare Translationsbewegungen in Biegungen umzuwandeln, werden Geräte wie ein mechanischer Block oder eine Wickeltrommel benötigt. Dies erhöht die Komplexität und erhöht die Kosten. Das MIT-Team würde die Bewegungskraft ohne zusätzliche mechanische Teile direkt nutzen.

Linearantriebe aus Polymermaterialien haben einen Hauptnachteil: Das Material muss gekühlt werden, um eine Kontraktion zu verursachen. Die Abkühlgeschwindigkeit kann ein begrenzender Faktor sein. Wissenschaftler erkannten jedoch, dass dieser Nachteil von Vorteil sein könnte. Durch selektives Erhitzen einer Seite der Faser zieht sie sich schneller zusammen, als die Wärme die gegenüberliegende Seite erreicht. Somit kann der Faden zur Seite abweichen. Laut Ph.D. Seyed Mirvakili, dem Hauptautor der Studie, war es notwendig, eine Kombination aus zwei Eigenschaften zu erreichen: Hochspannung (Kontraktionsspannung) und niedrige Wärmeleitfähigkeit.

Damit dieses System als künstliche Muskeln effektiv funktioniert, müssen die Faserquerschnitte sorgfältig verarbeitet werden. Um den Querschnitt von rund zu rechteckig oder quadratisch zu ändern, schien das Team sie zu "glätten". Dann erhitzten die Wissenschaftler eine Seite, wodurch sich die Faser verbog. Die Änderung der Erwärmungsrichtung führte dazu, dass die Faser komplexere Bewegungen ausführte. In Labortests verwendete das Team diese Heizmethode, um die Fasern zu kreisenden Bewegungen und Achtern zu zwingen. Laut Wissenschaftlern können sich die Fasern auf komplexeren Wegen bewegen.

Als Wärmequelle ist eine elektrische Widerstandsheizung, eine chemische Reaktion oder ein Laserstrahl geeignet, der auf einen Faden emittiert wird. In einigen Experimenten trugen die Forscher eine spezielle elektrisch leitende Farbe auf die Fasern auf und hielten sie mit Klebharzen an Ort und Stelle. Unter Spannung wurde nur der mit Farbe beschichtete Teil der Faser erhitzt. Bei einseitiger Erwärmung kann die Faser zur Seite abweichen. Wenn Sie es von der Gegenseite erwärmen, kehrt der Faden in seine ursprüngliche Position zurück.

Studien haben gezeigt, dass das Material mindestens 100.000 Biegezyklen standhält und sich bis zu 17 Mal pro Sekunde zusammenziehen und entspannen kann. Laut Jan Hunter, einem der Autoren der Studie, eignen sich solche Fasern für die Herstellung von Kleidung, die reduziert wird, um sich an die Konturen des menschlichen Körpers anzupassen. Dann könnten die Hersteller den Größenbereich reduzieren, den Komfort erhöhen und die Passform vereinfachen. Aus Biegefasern können Sie Schuhe herstellen, die genau auf dem Fuß sitzen und deren Steifheit und Form bei jedem Schritt reguliert werden.

Das System kann zur Herstellung von selbstabstimmenden Kathetern und anderen biomedizinischen Geräten verwendet werden. Langfristig können mechanische Systeme wie Außenverkleidungen für Autos geschaffen werden. Faserplatten passen ihre aerodynamische Form an, um sich an Änderungen der Geschwindigkeit und des Windes anzupassen. Oder sie können als automatische „Tracking-Systeme“ für Solarmodule verwendet werden. Sie würden überschüssige Wärme verwenden, um die Richtung der Batterien zur Sonne zu steuern.

Die wissenschaftliche Arbeit wurde am 23. November 2016 in der Zeitschrift Advanced Materials veröffentlicht.
DOI: 10.1002 / adma.201604734

Source: https://habr.com/ru/post/de399383/