来自麻省理工学院（MIT）的研究团队利用“热胀冷缩”的原理，制造出了一种人造肌肉纤维，其单根纤维可承受自身重量 650 倍的载荷，而且大概成本是每米 6 美分，已经具备工业化规模量产的条件。
该研究由 MIT 博士后 Mehmet Kanik 和研究生 Sirma Orguc 联合其他 9 人共同完成，同时也登上了 Science 最新一期的封面。
“热胀冷缩”
是人们耳熟能详的自然现象，火车道上每段铁轨之间留有的空隙就是为了应对冬夏长度的变化，而每种材料都有各自不同的热膨胀系数（即温度平均每升高1个单位，长度的相对变化量）。
MIT 团队发现，使用两种不同的聚合物粘合成一种纤维，随着温度的升高，膨胀更快的那种材料就会被对面绑定的“伙伴”阻止，这样就导致粘合材料会朝向膨胀较慢的一侧弯曲。
这种不对称的收缩会引起纤维向相反的方向卷曲，这就形成了一个类似弹簧的结构，而研究人员发现其可以提供非常强大的拉力。
这将对机器人、智能假肢等机械装置，以及生物医疗等应用场景提供极大帮助，开创了一种新模式“人造肌肉”。
黄瓜须引发的灵感，“热胀冷缩”造“肌肉”
研究人员们选择了两种热膨胀系数不同的聚合物材料：高密度聚乙烯和环烯烃共聚物弹性体。将这两种材料粘合在一起，形成双层的长条状，使用纤维拉伸技术将两种不同的聚合物结合起来形成一股纤维。
该过程的关键是将两种具有两种不同而热膨胀系数的材料结合在一起。这与很多恒温器的原理相同——使用双金属片作为测量温度的方式，随着接合材料的加热，膨胀更快的一侧被另一侧材料阻挡。最终，粘合材料卷曲，朝向缓慢膨胀的一侧弯曲。
因此 Mehmet 团队推测，由弹性体和热塑性聚合物组成的聚合物双晶结构内的热膨胀差异，在低热度条件刺激下可满足线性驱动。为了控制生产纤维的长度和横向尺寸，他们采用了可伸缩的纤维拉伸技术。
这种技术是通过将一个预制作的大尺寸材料加热到一定温度，让材料变得粘稠，然后就可以像“吹糖人”一样将纤维拉出。这种既可以保证纤维内部两片不同材料的结构，还可以控制最终成型的尺寸。
在综合考虑拉伸温度下两种材料的粘度、能否满足鲁棒驱动等约束条件，经过有限元分析，Mehmet 在实验中选择采用 HDPE 和 COCe 两种聚合物。
纤维制造好后，如果将其拉伸至原始长度的数倍，它将自然地形成一个类似弹簧的线圈，和座机的电话线十分相似。
成本低，载荷高，使用寿命长
当Kanik首次拿起盘绕的纤维时，令人惊讶的事情发生了，他手掌的温度使纤维更紧密地卷了起来。根据这一现象，Kanik发现，即使温度略微升高，线圈也会收紧并产生强大的拉力。一旦温度回落，线圈便会恢复到原来的长度。不仅如此，在后来的测试中，研究人员们发现这种伸缩过程可以重复10000次依旧保持强劲。
研究人员Anikeeva分析道：“这种材料使用寿命如此长的原因之一是，一切实验都是在常温或是低活化温度下进行的。只需1℃的增加，纤维便会开始收缩。”
为了更好的反映纤维的性能，研究人员将一种银纳米（AgNW，直径70nm，长度50μm）线构成的导电网直接沉积在纤维肌肉表面上，然后再沉积聚二甲基硅氧烷（PDMS）弹性体作为保护性可拉伸层。
同时，为了测量单根纤维可以承受的重量载荷，Mehmet 设计了一个专门的测试装置。经过多次试验，他们发现单根纤维可以承受约自身重量 650 倍的载荷。
作为驱动设备，材料的耐久度是必须要考虑的。为了让测试更加直观，Mehmet 将纤维和零件拟人化地组装成一个“锻炼肱二头肌的手臂”。通过纤维的拉伸，不断地提放机械手臂上的“哑铃”。经过测试，该纤维可以满足超过1万次的“锻炼过程”，并且强度没有下降。
量产问题，及其带来的无限可能
实验中所选用的聚合物材料的价格也很低廉，目前生产的人造肌肉纤维大概成本是每米 6 美分。”
但随着团队研究的不断进展，到目前为止，他们已经可以通过捆绑纤维来增加其负重载荷。简而言之，他们对这种“人造肌肉”纤维接受大规模人造假肢和软体机器人设备应用的检验充满了信心。
*内容及图片来源于网络，侵权请联系小编。
责任编辑：
