拉力驚人的新型“黃瓜卷鬚”，為人造肌肉找到新途徑_風聞

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編譯／雷鑫宇  審稿／西莫  責編／唐林芳

研究人員製造了雙晶纖維，該纖維質量輕、響應速度快、製造工藝簡單。

採用“兩步熱拉伸法”製造的雙晶纖維。

黃瓜在生長過程中會長出緊緊纏繞在一起的卷鬚，這些卷鬚會尋找到足以支撐其向上生長的支撐物，這就確保了黃瓜可以儘可能多地接受陽光的照射。

techxplore.com網站7月11日報道，美國麻省理工學院的研究人員Mehmet Kanik、Sirma Orguc和Polina Anikeeva等找到了模仿這種纏繞-牽引機制的方法，並由此製造了收縮纖維，這種纖維可以作為機器人、假肢或其他機械、生物醫學應用的人造肌肉使用。相關成果刊登於《科學》雜誌。

雖然人造肌肉的製造思路已經非常多樣，如液壓系統、伺服電機、形狀記憶金屬和響應聚合物等，但它們大多存在質量過重、響應時間偏慢等缺點。相比之下，這種基於纖維的新系統非常輕便，反應也非常迅速。

Kanik等使用拉伸法將兩種具有顯著熱膨脹係數差異的聚合物結合成了單鏈纖維。這種設計思路與恆温器的原理相似，工程師們經常使用雙金屬片作為温度測量的工具。而對新型纖維來講，材料受熱時膨脹速率更快的聚合物會被其“鄰居”所阻礙，進而使膨脹速率較慢的一側產生彎曲。

Kanik和Orguc等使用的兩種聚合物分別是共聚物彈性體和堅硬的熱塑性聚乙烯。纖維在被拉伸至原來長度的若干倍時，會自然形成類似黃瓜卷鬚的“緊卷”。

Anikeeva回憶説：“當時，新型纖維讓我們大吃一驚。”——當Kanik首次拿起捲曲的纖維時，僅僅因為他手心的温度就讓纖維捲曲得更緊了。他發現，即使温度稍有升高，纖維也會迅速收緊，產生驚人的拉力。之後，隨着温度的下降，纖維又會恢復原始長度。

Anikeeva補充説：“纖維收縮-擴張行為的可重複性很強，即使重複上萬次，效果也未見明顯減弱。纖維具有長期穩定性能的原因在於激活條件非常温和，僅僅升高1攝氏度就足以使纖維產生收縮。”

纖維的尺寸多樣性也很高，並且可以很容易地進行批量化生產。Anikeeva等在實驗中發現，一根纖維可以承受自身質量650倍的載荷。

為了在單鏈纖維上進行這類測定實驗，Kanik和Orguc還開發了專用的小型測試裝置和測試方法。例如，建立纖維初始拉伸量與纖維受熱拉緊時的關係，使用導電納米塗層確定準確的纖維張力等。

目前，部分假肢的質量高達30磅，其中大部分質量來自氣動或液壓驅動器。因此，對於使用假肢的人來説，減輕驅動器的質量可以使他們的生活更加容易。用新型纖維製造驅動器可以顯著降低假肢質量。此外，這種纖維也可以應用於微型生物設備中——激活時間最短可以達到幾十毫秒。

為了使纖維能承受更重的負荷，研究人員成功地將上百束纖維“捆綁”在了一起。纖維中也可以植入傳感器，以便提供準確反饋。

Orguc認為，將纖維與閉環反饋機制結合在一起，可以使纖維在需要自動化和精確控制的機器人系統中找到“用武之地”。Kanik補充説：“這種纖維材料的應用潛能無法估量，因為幾乎任何兩種熱膨脹率不同的材料都可以作為單鏈纖維組合。我們的研究成果的價值就是‘簡單’二字。”

期刊來源：《科學》

期刊編號：0036-8075

原文鏈接：

https://techxplore.com/news/2019-07-artificial-muscles-powerful.html

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