采用“两步热拉伸法”制造的双晶纤维。
黄瓜在生长过程中会长出紧紧缠绕在一起的卷须，这些卷须会寻找到足以支撑其向上生长的支撑物，这就确保了黄瓜可以尽可能多地接受阳光的照射。techxplore.com网站7月11日报道，美国麻省理工学院的研究人员Mehmet Kanik、Sirma Orguc和Polina Anikeeva等找到了模仿这种缠绕-牵引机制的方法，并由此制造了收缩纤维，这种纤维可以作为机器人、假肢或其他机械、生物医学应用的人造肌肉使用。相关成果刊登于《科学》杂志。
虽然人造肌肉的制造思路已经非常多样，如液压系统、伺服电机、形状记忆金属和响应聚合物等，但它们大多存在质量过重、响应时间偏慢等缺点。相比之下，这种基于纤维的新系统非常轻便，反应也非常迅速。Kanik等使用拉伸法将两种具有显著热膨胀系数差异的聚合物结合成了单链纤维。这种设计思路与恒温器的原理相似，工程师们经常使用双金属片作为温度测量的工具。而对新型纤维来讲，材料受热时膨胀速率更快的聚合物会被其“邻居”所阻碍，进而使膨胀速率较慢的一侧产生弯曲。
Kanik和Orguc等使用的两种聚合物分别是共聚物弹性体和坚硬的热塑性聚乙烯。纤维在被拉伸至原来长度的若干倍时，会自然形成类似黄瓜卷须的“紧卷”。Anikeeva回忆说：“当时，新型纤维让我们大吃一惊。”——当Kanik首次拿起卷曲的纤维时，仅仅因为他手心的温度就让纤维卷曲得更紧了。他发现，即使温度稍有升高，纤维也会迅速收紧，产生惊人的拉力。之后，随着温度的下降，纤维又会恢复原始长度。Anikeeva补充说：“纤维收缩-扩张行为的可重复性很强，即使重复上万次，效果也未见明显减弱。纤维具有长期稳定性能的原因在于激活条件非常温和，仅仅升高1摄氏度就足以使纤维产生收缩。”
纤维的尺寸多样性也很高，并且可以很容易地进行批量化生产。Anikeeva等在实验中发现，一根纤维可以承受自身质量650倍的载荷。为了在单链纤维上进行这类测定实验，Kanik和Orguc还开发了专用的小型测试装置和测试方法。例如，建立纤维初始拉伸量与纤维受热拉紧时的关系，使用导电纳米涂层确定准确的纤维张力等。
目前，部分假肢的质量高达30磅，其中大部分质量来自气动或液压驱动器。因此，对于使用假肢的人来说，减轻驱动器的质量可以使他们的生活更加容易。用新型纤维制造驱动器可以显著降低假肢质量。此外，这种纤维也可以应用于微型生物设备中——激活时间最短可以达到几十毫秒。
为了使纤维能承受更重的负荷，研究人员成功地将上百束纤维“捆绑”在了一起。纤维中也可以植入传感器，以便提供准确反馈。Orguc认为，将纤维与闭环反馈机制结合在一起，可以使纤维在需要自动化和精确控制的机器人系统中找到“用武之地”。Kanik补充说：“这种纤维材料的应用潜能无法估量，因为几乎任何两种热膨胀率不同的材料都可以作为单链纤维组合。我们的研究成果的价值就是‘简单’二字。”
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编译：雷鑫宇 审稿：西莫 责编：唐林芳
期刊来源：《科学》 期刊编号：0036-8075
原文链接：https://techxplore.com/news/2019-07-artificial-muscles-powerful.html
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