一些研究人造肌肉的項(xiàng)目在逐漸顯露出成果，即使最強(qiáng)壯的人看到這些人造肌肉也會(huì)羨慕，研究人員設(shè)計(jì)出的人造肌肉能夠提升自身體重12,600倍的重物。新肌肉由碳纖維增強(qiáng)硅氧烷橡膠制成，具有卷曲的幾何形狀。

直徑為0.4毫米的碳纖維增強(qiáng)卷曲肌肉放大圖    來(lái)源：伊利諾伊大學(xué)工程學(xué)院

    大多數(shù)人都害怕的運(yùn)動(dòng)引體向上，提出的是一個(gè)非常基本問(wèn)題：你的肌肉強(qiáng)度足以提起自己的體重嗎？

    一些伊利諾斯研究人造肌肉的研究項(xiàng)目已經(jīng)逐漸顯露出結(jié)果，即使最強(qiáng)壯的人看到也會(huì)羨慕，研究人員設(shè)計(jì)出的人造肌肉能夠提升自身體重12,600倍的重物。

    機(jī)械科學(xué)與工程系助理教授SamehTawfick、Beckman博士后研究員CaterinaLamuta和SimonMesselot最近發(fā)表了一篇關(guān)于如何在智能材料與結(jié)構(gòu)雜志上設(shè)計(jì)超強(qiáng)人造肌肉的研究。這種新的肌肉由碳纖維增強(qiáng)硅氧烷橡膠制成，具有卷曲的幾何形狀。

    這種肌肉不僅可以提起自身重量的12,600倍的重物，還可以承受高達(dá)60MPa的機(jī)械應(yīng)力，提供的拉伸沖程高于25％，具體工作量高達(dá)758J/kg。這個(gè)數(shù)量是天然肌肉能夠產(chǎn)生的具體工作量的18倍。當(dāng)以電力驅(qū)動(dòng)時(shí)，基于碳纖維的人造肌肉在不需要高輸入電壓就能顯示出優(yōu)異的性能：文章中作者展示了直徑只有0.4mm的肌肉束如何能夠在僅為0.172V/cm的電壓下將半加侖水提升至1.4英尺。

    Lamuta說(shuō)：“這些成本低，重量輕的人造肌肉應(yīng)用范圍非常廣泛，涉及到機(jī)器人、假肢、矯形器和人體輔助器械等眾多不同領(lǐng)域。我們提出的數(shù)學(xué)模型是一種非常有用的設(shè)計(jì)工具，可根據(jù)不同的應(yīng)用調(diào)整盤(pán)繞的人造肌肉的性能，此外，該模型還提供了對(duì)驅(qū)動(dòng)機(jī)制中起重要作用的所有參數(shù)清晰的認(rèn)知，這個(gè)模型還將鼓勵(lì)未來(lái)的研究著力于開(kāi)發(fā)具有增強(qiáng)特性的新型纖維強(qiáng)化卷曲肌。”

    人造肌肉本身是由商用碳纖維和聚二甲基硅氧烷（PDMS）組成的線圈。首先將碳纖維絲束浸入用己烷稀釋的未固化的PDMS中，然后用簡(jiǎn)單的鉆頭加捻以形成具有均勻形狀和恒定半徑的紗線。在PDMS固化之后，直的復(fù)合紗線被高度扭曲直到完全卷曲。

    Tawfick說(shuō)：“最近使用尼龍線發(fā)明了盤(pán)繞肌肉，它們可以施加較大的驅(qū)動(dòng)沖程，這使得它們?cè)谌梭w輔助設(shè)備中的應(yīng)用非常有用：只要它們可以變得更結(jié)實(shí)。”

    研究團(tuán)隊(duì)設(shè)定了一個(gè)目標(biāo)，即將碳纖維（一種非常強(qiáng)大的輕質(zhì)材料，很容易在市場(chǎng)上買(mǎi)到）轉(zhuǎn)化為人造肌肉。

    Tawfick說(shuō)：“要利用碳纖維，我們必須了解盤(pán)繞肌肉的收縮機(jī)制，一旦我們了解了這個(gè)理論，我們就學(xué)會(huì)了如何將碳纖維轉(zhuǎn)化為超強(qiáng)肌肉，我們只是用合適的硅橡膠填充了碳纖維絲束，得到的性能令人印象深刻，這正是我們尋求的目標(biāo)。”研究表明，肌肉收縮是由于硅膠填充物的熱膨脹或溶劑吸收導(dǎo)致肌肉紗線的半徑增加引起的。“當(dāng)硅橡膠通過(guò)施加電壓、加熱或通過(guò)溶劑溶脹而將纖維局部推入纖維束內(nèi)時(shí)，肌肉產(chǎn)生彎曲。從硅橡膠施加到纖維上的內(nèi)部壓力使得纖維束直徑膨脹并展開(kāi)，引起沿長(zhǎng)度方向的收縮沖程。”

    在實(shí)驗(yàn)表征過(guò)程中，將直流電壓施加到線圈的端部以誘導(dǎo)復(fù)合材料的加熱并進(jìn)而引起拉伸致動(dòng)。線圈的頂端是固定的，而負(fù)載連接到底部以產(chǎn)生張力。拉伸行程由攝影機(jī)拍攝，逐幀分析。拉伸致動(dòng)也通過(guò)經(jīng)由輸送至盤(pán)繞肌肉的液體己烷的溶脹而誘導(dǎo)產(chǎn)生。

    這些肌肉是否能彎曲更多，實(shí)現(xiàn)更大的沖程？經(jīng)過(guò)運(yùn)算預(yù)估和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)狀之間的驚人一致為這個(gè)問(wèn)題提的答案供了信心。研究小組發(fā)現(xiàn)，人造盤(pán)繞肌肉的拉伸致動(dòng)可能受到客體材料（硅酮）膨脹的能力的限制客體材料的熱降解性質(zhì)所施加的限制。這解釋了為什么由腫脹驅(qū)動(dòng)的肌肉具有更高的致動(dòng)應(yīng)變，它們能夠比熱致肌肉膨脹更多。作者提出的理論模型揭示了如何設(shè)計(jì)可以使肌肉更具表現(xiàn)力。

    文章來(lái)源：sciencedaily，原文題目：Strong carbon fiber artificial muscles can lift 12,600 times their own weight

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責(zé)任編輯：殷鵬飛

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