На MIT створив штучні м'язові волокна з нейлону

Штучні м'язи є матеріалами, які можуть контракти та контракти, як м'язові волокна. Вони можуть використовуватися в багатьох галузях, від компонентів робототехніки до автомобільної та авіаційної промисловості. Науково-дослідники в Інституті технології Массачусетса кажуть, що вони розробили найпростішу і найдешевшу систему для створення таких м'язів.

Ключовим компонентом, з якого науковці МІТ виготовляють штучні м'язові волокна, є недорогі та поширені нейлонові волокна. Новий підхід до використання цього матеріалу полягає у формуванні та теплових волокон певним чином.


Раніше дослідники розробили принцип використання кручених спіралей нейлонових ниток для імітації перекладацької роботи м'язів. Вони показали, що в певному розмірі і вагою такі пристрої можуть розширити і контракт, зберігати і звільнити більше енергії, ніж натуральні м'язи. Але повторюючи згинання рухів пальців і кінцівок людини є більш складним завданням. Згідно з дослідженнями МІТ, ніхто ще не змогла вирішити цю проблему легко і недорого.

Є матеріали, які можна використовувати для відтворення вигину рухів в біомедичних пристроях або тактильних дисплеїх. Але найчастіше ці матеріали є «екзотичними» і дорогими, вони важко виготовляти. Наприклад, нитки вуглецевих нанотрубок є міцним матеріалом, який може витримати більше мільйона циклів стиснення, але все ще занадто дорогі для широкого застосування. Сплави форми пам'яті забезпечують останню натягу, але останні лише 1,000 циклів.

Нова система використовує дешевий матеріал і простий процес виготовлення. Нейлон витримує достатню кількість циклів через спосіб утворюються нейлонові волокна. Деякі полімерні волокна матеріали, включаючи нейлон, мають незвичайну властивість: при нагріванні вони зменшують довжину, але розширюють діаметр. Деякі вчені використовували цю властивість для створення лінійних приводних пристроїв. Але для повороту лінійних перекладацьких рухів у вигини, пристрої, такі як механічний блок або барабан намотування. Це додає складності і збільшує витрати. Команда MIT збирає чинності руху безпосередньо без додаткових механічних деталей.

Лінійні активатори з полімерних матеріалів мають один суттєвий недолік: викликати скорочень, матеріал повинен бути охолоджений. Швидкість охолодження може бути обмеженим фактором. Однак вчені усвідомили, що цей недолік може бути перевагою. Вибіркове опалення однієї сторони волокна викликає його до контракту швидше, ніж тепло досягає протилежної сторони. Таким чином, нитка може бути відхилена на сторону. Як зазначив кандидат Сеймед Мирвакілі, провідний автор дослідження, необхідно було досягнути поєднання двох властивостей: висока напруга (підйомна скорочень) та низька теплопровідність.

Для того щоб зробити цю систему ефективно працювати як штучні м'язи, переріз волокна необхідно ретельно обробити. Для зміни перерізу з круглого до прямокутного або квадратного, сорту команди розтоплюється їх. Вчені потім нагрівають одну сторону, викликаючи волокно для вигину. Зміна напрямку обігріву викликало волокно для виконання більш складних рухів. У лабораторних випробуваннях команда використовувала цей спосіб обігріву, щоб зробити волокна виконувати кругові рухи і «витяжки». За даними вчених, волокна можуть переходити по більш складних траєкторій.

В якості джерела тепла підходить електрорезистентний обігрівач, хімічні реакції або лазерний промінь, який продається на нитку. У деяких експериментах дослідники застосовуються спеціальну електропровідну фарбу до волокон і проводяться в одному місці за допомогою сполучних смол. Під впливом стресу нагрівається тільки частина волокнистих покритих фарбою. Зігрівається з одного боку, волокно може відхиляти на боці. Якщо нагрівати її з протилежною, нитка повертається на її оригінальну позицію.

Дослідження показали, що матеріал може витримати принаймні 100 тисяч циклів вигину і може контракт і розслабитися до 17 разів на другий. За словами Іана Мисливця, одного з авторів дослідження, такі волокна підходять для виробництва одягу, яка буде зменшена для адаптації до контурів тіла людини. Тоді виробники можуть зменшити діапазон розмірів, збільшити комфорт і спрощену фурнітуру. З вигнутих волокон можна зробити взуття, яке точно буде сидіти на нозі, а її жорсткість і форма буде регулюватися кожним кроком.

Система може бути використана для виготовлення самотужки та інших біомедичних пристроїв. На довгий час можна побудувати механічні системи, такі як зовнішні панелі для автомобілів. Волоконні панелі налаштовують аеродинамічну форму для адаптації до змін швидкості та вітру. Чи можна використовувати як автоматичні системи відстеження для сонячних панелей. Вони будуть використовувати надлишок тепла для контролю напрямку батарей на сонці.

Опубліковано в журналі Advanced Materials 23 листопада 2016 року.
DOI: 10.1002/adma.201604734

Джерело: geektimes.ru/post/282982/