麻省理工学院创造人造尼龙肌纤维

人造肌肉是可以像肌肉纤维一样收缩和收缩的材料。它们可用于许多领域：从机器人组件到汽车和航空业。在研究人员麻省理工学院表示，他们已经开发出一种非常简单和廉价的系统来创建这些“肌肉”。

麻省理工学院的科学家制造人造肌纤维的关键成分是廉价且广泛使用的尼龙纤维。一种使用这种材料的新方法是以某种方式形成和加热纤维。


以前，研究人员开发了使用尼龙线的扭曲螺旋线模拟肌肉进行性运动的原理。他们表明，在特定的大小和重量下，此类设备可以比自然肌肉扩展和收缩，存储和释放更多的能量。但是，要重复一个人的手指和四肢的弯曲运动是一项比较困难的任务。据麻省理工学院的研究人员说，在他们之前，没有人能够简单，廉价地解决这个问题。

有些材料可用于在生物医学设备或触觉显示器中再现弯曲运动。但是，这些材料通常都是“异国情调”的且昂贵的，很难生产。例如，碳纳米管-可以承受一百万次以上压缩循环的耐用材料，但对于广泛使用而言仍然太昂贵。形状记忆合金具有很强的张力，但只能承受1000次循环。

新系统使用廉价的材料和简单的制造工艺。由于形成尼龙纤维的方法，尼龙可以承受足够的循环次数。某些由聚合物纤维制成的材料（包括尼龙）具有不同寻常的性能：加热时，它们的长度会减小，但直径会增大。一些科学家已经利用此属性来创建线性驱动设备。但是，为了将线性平移运动转换为弯曲，需要诸如机械块或卷筒的装置。这增加了复杂性并增加了成本。麻省理工学院的团队将直接使用运动的动力，而无需额外的机械零件。

由聚合物材料制成的线性驱动器有一个主要缺点：必须将材料冷却以引起收缩。冷却速度可能是一个限制因素。但是，科学家意识到此缺点可能是一个优点。纤维一侧的选择性加热使纤维收缩的速度快于热量到达另一侧的收缩速度。因此，线可能偏向侧面。根据该研究的主要作者塞耶德·米尔瓦基利（Seyed Mirvakili）博士的观点，有必要实现两种特性的组合：高电压（收缩张力）和低导热率。

为了使该系统作为人造肌肉有效运行，必须小心处理纤维横截面。要将横截面从圆形更改为矩形或正方形，团队似乎将其“展平”了。然后，科学家加热了一侧，导致光纤弯曲。加热方向的变化导致纤维进行更复杂的运动。在实验室测试中，研究小组使用这种加热方法迫使纤维进行圆周运动和八度运动。根据科学家的说法，纤维可以沿着更复杂的路径运动。

作为热源，电阻加热器，化学反应或在细线上发射的激光束是合适的。在一些实验中，研究人员在纤维上涂了一种特殊的导电涂料，并用粘合树脂将它们固定在适当的位置。在电压下，只有涂有涂料的纤维部分被加热。在一侧加热时，光纤可能会偏向一侧。如果从相反方向对其进行加热，则螺纹将返回其原始位置。

研究表明，该材料可以承受至少10万次弯曲循环，并且每秒可以收缩和松弛多达17次。该研究的作者之一扬·亨特（Jan Hunter）认为，这种纤维适用于服装的生产，为了适应人体轮廓，将减少这些纤维的用量。然后，制造商可以缩小尺寸范围，增加舒适度并简化装配。利用弯曲的纤维，您可以制作出可以恰好放在脚上的鞋子，并且其硬度和形状将在每一步中得到调节。

该系统可用于生产自调谐导管和其他生物医学设备。从长远来看，可以创建机械系统，例如汽车外部面板。纤维板将调整其空气动力学形状，以适应速度和风的变化。或者它们可以用作太阳能电池板的自动“跟踪系统”。他们将使用多余的热量来控制电池朝向太阳的方向。

科学工作已于2016年11月23日发表在《先进材料》杂志上
DOI：10.1002 / adma.201604734

Source: https://habr.com/ru/post/zh-CN399383/