В новом исследовании, опубликованном 12 июля в журнале Science, исследователи описывают свое последнее достижение, которое называется искусственными мышцами с защитным кожухом или SRAM.
Предыдущие мышцы исследовательской группы были сделаны путем скручивания пряжи CNT, полимерной лески или нейлоновой швейной нити.
Скрутив эти волокна до точки, в которой они скручиваются, исследователи создали мышцы, которые резко сокращаются или приводятся в действие по всей своей длине при нагревании и возвращаются к своей исходной длине при охлаждении.
Чтобы сформировать новые мышцы, группа исследователей нанесла полимерное покрытие на скрученную пряжу из УНТ, а также на недорогую нейлоновую, шелковую и бамбуковую пряжу, создав оболочку вокруг сердцевины пряжи.
«В наших новых мышцах оболочка вокруг свернутой или скрученной пряжи приводит в действие и обеспечивает гораздо более высокую рабочую нагрузку за цикл и удельную мощность, чем у наших предыдущих мышц», – сказал доктор. Рэй Боуман, автор-корреспондент исследования, Роберт А. Заслуженная кафедра химии Уэлча и директор Alan G. MacDiarmid NanoTech Institute в UT Даллас.
В их экспериментах ключевым шагом к созданию готовых мышц было скручивание пряжи с новым покрытием до тех пор, пока они не свернутся, пока материал оболочки был еще влажным.
«Если вы вставите скручивание или скручивание после того, как оболочка высохнет, оболочка треснет», – сказал Боуман. «Оптимизация толщины оболочки также очень важна. Если он слишком толстый, скрученная нить в сердечнике не сможет раскручиваться, потому что оболочка удерживает ее на месте.
Если он слишком тонкий, раскручивание пряжи приведет к растрескиванию оболочки."
Доктор. Джиуке Му, ведущий автор исследования и научный сотрудник NanoTech Institute, первым разработал концепцию искусственной мышцы, управляемой оболочкой.
В конфигурации с направлением через оболочку наружная оболочка поглощает энергию и приводит в действие мышцу.
«В наших предыдущих скрученных и скрученных мышцах мы прикладывали тепловую энергию ко всей мышце, но только внешняя, скрученная часть волокна выполняла механическую работу – центральная часть выполняла мало», – сказал Му. «Используя оболочку, входящую энергию можно быстрее и эффективнее преобразовать в механическую энергию мышцы.
«Зачем потреблять энергию, нагревая всю пряжу, когда все, что вам нужно, это нагреть внешнюю часть пряжи, чтобы она приводила в действие?"Му сказал. "С нашими новыми мышцами нам нужно только вложить энергию в оболочку."
Боуман сказал, что для оболочки можно использовать множество материалов, если они обладают прочностью и могут претерпевать изменения размеров при различных окружающих переменных, таких как изменения температуры или влажности.
При электрохимическом воздействии мышца, состоящая из оболочки CNT и нейлонового сердечника, генерирует среднюю сократительную силу, которая в 40 раз больше, чем у человеческой мышцы, и в 9 раз больше, чем у альтернативной электрохимической мышцы наивысшей мощности.
«В нашей предыдущей работе мы показали, что пряжа из углеродных нанотрубок дает прекрасные искусственные мышцы.
Такая пряжа легкая, но при этом прочнее и мощнее, чем человеческие мышцы той же длины и веса », – сказал Боуман.
«Но пряжа из углеродных нанотрубок очень дорога, поэтому в этой новой работе мы идем в другом направлении», – сказал он. «Мы обнаружили, что, хотя мы можем использовать углеродные нанотрубки в качестве основного материала для искусственных мышц, управляемых оболочкой, нам не нужно. Мы продемонстрировали, что пряжу CNT можно заменить недорогой, доступной в продаже пряжей."
Он добавил, что процесс полимерного покрытия можно легко расширить для коммерческого производства.
«Поскольку технология SRAM позволяет заменять пряжу CNT более дешевой пряжей, эти мышцы очень привлекательны для интеллектуальных структур, таких как робототехника и регулирующая одежда», – сказал Боуман.
Чтобы продемонстрировать возможные потребительские применения искусственных мышц с оболочкой, исследователи связали SRAM в ткани, которая увеличивала пористость при воздействии влаги. Они также продемонстрировали SRAM, изготовленную из нейлоновой нити с полимерным покрытием, которая линейно сжимается при воздействии возрастающей концентрации глюкозы.
Эту мышцу можно использовать, чтобы сжать сумку, чтобы выпустить лекарство для противодействия высокому уровню сахара в крови.
Изобретатели подали заявку на временный U.S. патент на технологию.
Помимо Баумана и Му, исследователи UT Dallas NanoTech Institute, участвовавшие в работе, включают доктора. Моника Юнг де Андраде, научный сотрудник; Доктор. Шаоли Фанг, доцент-исследователь; и доктор.
Ши Хён Ким, научный сотрудник. Также участвовали Хён Ким, докторант по биоинженерии; Доктор. Тейлор Уэр, доцент кафедры биоинженерии; и доктор.
Дун Цянь и доктор. Хунбин Лу, профессора машиностроения.
Среди авторов исследования также исследователи из Южного университета Джорджии; Университет Вуллонгонга в Австралии; Университет Дунхуа и Уханьский университет в Китае; Ханянский университет в Южной Корее; и бионаучная компания MilliporeSigma.
Исследование финансировалось из нескольких источников: Управление научных исследований ВВС, Управление военно-морских исследований, Национальный научный фонд, Роберт А. Фонд Уэлча, Австралийский исследовательский совет, Национальный исследовательский фонд Кореи и Комиссия по науке и технологиям муниципалитета Шанхая.