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尼龙纤维可以做肌肉的弯曲运动了

2016-11-25 234浏览 标签: 美国尼龙纤维

    美国MIT于2016年11月23日发布消息称其校内的研究团队成功使尼龙纤维实现了人工肌肉的弯曲运动。该以尼龙纤维为基础的人工肌肉系统成本低、工艺简单、寿命长。

    人工肌肉是指可以像肌肉纤维一样收缩和膨胀的材料,其应用范围较广,包括机器人、汽车零部件及航空工业等。此前,研究人员曾提出了使用扭转的尼龙丝线圈来模拟基本线性肌肉运动的基本原理,并证明了在特定的尺寸和重量下,人工肌肉的收缩和膨胀幅度比自然肌肉大,且可以储存和释放更多的能量。但是像人类手指和四肢的弯曲运动则比较有难度,并且一直没有一种简单、廉价的系统来实现。


    现存的一些材料,例如碳纳米管纱和形状记忆合金,也可以用来实现这种弯曲运动,但是成本昂贵且难以驾驭。此次,MIT的研究团队成功研发出一种最简单且成本低廉的材料系统用于开发这种人工“肌肉”,使用低成本且常见的尼龙纤维材料做到了自然肌肉组织会呈现的一些弯曲运动。MIT博士在读研究生Seyed Mirvakili和机械工程学院教授George N. Hatsopoulos在期刊《Advanced Materials》上发表文章解释道,新方法中利用基本合成纤维材料的关键在于以特殊的方式对纤维进行成型和加热加工。


    一些聚合物纤维材料,包括高取向尼龙在内,具有特殊的性能:当对其进行加热时,它们会收缩长度但是扩大直径。这种特性一直被用来制造一些线性致动器。但是,若想将线性收缩运动转化为弯曲运动则需要诸如滑轮和卷轴的帮助,这些都额外增加了设备的尺寸、复杂性和成本。此次MIT团队的一大突破就是直接利用材料本身的传动,不需要额外的机械部件。

 

    由上述材料制成的线性致动器有一个限制是:在对其加热触发收缩后,它们需要一些时间来冷却。MIT的研究团队意识到,虽然冷却速度是一个限制因素,但是他们可以利用该因素将其转化成一个优势。于是他们便想出一种新的加热方法:选择性地加热纤维的一侧。由于纤维具有高应变性和低导热性,所以被加热一侧的收缩速度会比热量穿透到另一侧的速度快,由此产生了纤维的弯曲运动。


    另外,为了使该以尼龙为基础的系统可以更高效地工作,研究人员还对其横截面进行了特殊的成型加工。研究团队从普通的尼龙钓鱼线入手,将其横截面从圆形挤压成矩形或正方形,然后选择性地加热一侧使纤维产生相应的弯曲运动。之后进一步发现,改变加热方向可以使纤维产生更为复杂的运动。


    此外,研究人员还证明,该材料除了可以高效完成弯曲运动以外,使用寿命也很长——该材料在100,000个弯曲循环之后依然可以保持其性能,并且其弯曲和收缩速度可达以每秒17个循环。



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