MIT研发出“人造肌肉纤维”，“西部世界”中的超高仿真机器人不再遥远
科技康养2019-07-17 22:57
看见蝙蝠，便想到了雷达；看见萤火虫，便想到了冷光灯；看见变色龙，便想到了迷彩装备。科学家们的想象总是如此跳跃。最近，他们看见黄瓜卷须，想到了人造肌肉纤维。
王雪霁| 作者
李立群| 编译
当黄瓜生长时，他的卷须会不断寻找支撑物将其向上拉伸，确保尽可能多地接收阳光。麻省理工学院的研究人员们模仿这种卷绕和拉动机制制造出了一种收缩纤维。这种纤维可以用作机器人，假肢或其他机械和生物医学应用的人造肌肉。
美剧《西部世界》中，机器人具有超高仿真外形，中弹会流血，受伤会嚎叫，几乎与常人无异。而现代科技下的机器人，往往是这样的：
或是这样的：
新纤维由麻省理工学院博士后Mehmet Kanik和麻省理工学院研究生Sirmargü开发，与Polina Anikeva教授、Yoel Fink教授、Anantha Chandrakasan教授和C.Cem Taan教授以及其他五位教授合作，使用纤维拉伸技术将两种不同的聚合物结合成单链纤维。
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。
和这个有些类似：
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。
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。
这些纤维尺寸不一，从几微米到几毫米宽，其单根纤维可承受自身重量650倍的载荷，每米的成本仅约为6美分，已经具备工业化规模量产的条件。
加热纤维时发生的紧固程度可以通过确定给予纤维的初始拉伸的多少来“编程”。这样可以将材料精确调整到所需的力量和触发该力所需的温度变化量。
新型纤维致动器，应用前景可期
这种纤维可以用作机器人手，双臂或腿中的致动器，还可以用来制作假肢，其轻巧的质量和快速的响应速度为它带来了巨大的优势。
如今的一些假肢重量可达30磅，其中大部分重量来自气动或液压致动器，因此，重量较轻的纤维致动器可以使假肢使用者的生活更加方便。
虽然单根纤维能承受自身重量650倍的载荷，但实际上这种承载力微乎其微。
为了提供更大的强度来增加更重的载荷，研究人员们将纤维捆绑在一起，就像体内的肌肉纤维一样，研究人员们将100根光纤捆绑并测试成功。结合在纤维中的传感器可以在拉伸过程中对遇到的状况进行反馈，这在假肢应用中意义重大，带有闭环反馈机制的捆绑肌纤维同样可以应用于需要自动化和精确控制的机器人系统。
Kanik表示：“这种材料具有无限的可能，因为几乎任何具有不同热膨胀系数的材料都可以互相组合，广阔的领域中留下了无数种可能。这个新发现就像打开了一间屋子里的一扇窗，还有许多新的窗口等待被打开。”
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