前沿科技:伊利诺伊大学开发出可承受自身12000倍重量的人造肌肉

中研股份2018年4月20日讯  碳纤维"外柔内刚",质量比金属铝轻,但强度却高于钢铁,并且具有耐腐蚀、高模量的特性,在国防军工和民用方面都是重要材料。它不仅具有碳材料的固有本征特性,又兼备纺织纤维的柔软可加工性,是新一代增强纤维。

无论你锻炼到什么程度,人类肌肉的力量极限依然难以突破。好消息是,有关人造肌肉的研究,已经远远地将大自然抛在了身后。据悉,伊利诺伊大学机械科学与工程系(MechSE)的研究人员们,已经开发出了一种由碳纤维和橡胶制成的人造肌肉,且其能够承受12000倍于自身的质量。 其实一开始的时候,MechSE团队只想着捣鼓出一种更强劲、更实用的新设计。

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研究人员Caterina Lamuta和Sameh Tawfick

有鉴于此,他们从碳纤维开始着手,毕竟这是一种非常强韧、但质量极轻的材料。为了让它更易于发生形变,研究人员还将它和聚二甲基硅氧烷(PDMS)橡胶混合了一起,然后扭曲成螺旋状。

论文作者之一的Sameh Tawfick表示:卷曲的肌肉是最近用尼龙线发明来的,它们可以施加大动作。如果可以变得更强劲,就很适合在人类辅助设备上运用。在使用碳纤维之前,我们必须了解卷肌的收缩机理。在发现了该理论之后,我们知晓了如何将碳纤维转变成超强的肌肉。我们只是用合适的硅橡胶填充碳纤维,结果它们的表现令人印象深刻,正好达成了预期的目标。

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放大后的“盘绕式人造肌肉”,其实际直径为0.4mm 。

通过在末端施加小电流,这种人造肌肉就会发生卷曲。这会将碳纤维分开,使人造肌肉的直径变粗、长度收缩,从而拉起附着在底部的负载。

这种长时间的收缩,也可以通过将液体己烷输送到卷曲的人造肌肉中实现。在测试中,团队发现,即便运用了轻微的输入电压,也可以产生非常强的效果。

以一根直径仅0.4mm 的人造肌肉束为例,它竟然能够将半加仑的水提升1.4英寸(3.6 CM),平均每厘米的输入电压仅0.172V 。

换算一下,这已经是其自重的12600倍,机械应力高达60兆帕、拉伸能力超过25%,单位做功758焦耳/千克。

研究团队还开发了一种数学模型,以描述人造肌肉在不同参数下的性能,未来可用于设计具备特定应用属性的人造肌肉。

另一位论文作者Caterina Lamuta表示: 这些低成本、轻量级人造肌肉的应用范围相当宽广,涉及机器人、假肢、矫正器、人类辅助设备等不同领域。

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