Uppdragningen, en övning som de flesta fruktar, svarar på en grundläggande fråga:är dina muskler tillräckligt starka för att lyfta din egen kroppsvikt?

Vissa Illinois -forskare som arbetar med konstgjorda muskler ser resultat även de starkaste individerna skulle avundas, designa muskler som kan lyfta upp till 12, 600 gånger sin egen vikt.

Biträdande professor i mekanisk vetenskap och teknik Sameh Tawfick, Beckman postdoktor Caterina Lamuta, och Simon Messelot publicerade nyligen en studie om hur man designar superstarka konstgjorda muskler i tidningen Smarta material och strukturer . De nya musklerna är gjorda av kolfiberförstärkt siloxangummi och har en lindad geometri.

Dessa muskler kan inte bara lyfta upp till 12, 600 gånger sin egen vikt, men stöder också upp till 60 MPa mekanisk spänning, ger dragdrag högre än 25% och specifikt arbete på upp till 758 J/kg. Denna mängd är 18 gånger mer än det specifika arbete som naturliga muskler kan producera. Vid elektrisk aktivering, de kolfiberbaserade konstgjorda musklerna visar utmärkt prestanda utan att kräva hög ingångsspänning:författarna visade hur en muskelbunt med en diameter på 0,4 mm kan lyfta en halv gallon vatten med 1,4 tum med endast 0,172 V/cm applicerad spänning.

"Utbudet av tillämpningar för dessa billiga och lätta konstgjorda muskler är riktigt brett och involverar olika områden som robotik, proteser, ortotik, och mänskliga hjälpmedel, "Lamuta sa." Den matematiska modellen vi föreslog är ett användbart designverktyg för att skräddarsy prestandan hos lindade artificiella muskler enligt de olika tillämpningarna. Vidare, modellen ger en klar förståelse för alla parametrar som spelar en viktig roll i aktiveringsmekanismen, och detta uppmuntrar framtida forskning att utveckla nya typologier av fiberförstärkta spolade muskler med förbättrade egenskaper. "

De konstgjorda musklerna själva är spolar som består av kommersiella kolfibrer och polydimetylsiloxan (PDMS). En kolfibrer dras inledningsvis i ohärdad PDMS utspädd med hexan och vrids sedan med en enkel borr för att skapa ett garn med en homogen form och en konstant radie. Efter härdningen av PDMS, det raka kompositgarnet är starkt tvinnat tills det är helt upprullat.

"Upprullade muskler uppfanns nyligen med nylontrådar, "Tawfick sa." De kan utöva stora aktiveringsslag, vilket gör dem oerhört användbara för applikationer i mänskliga hjälpmedel:om de bara kunde göras mycket starkare. "

Teamet satte upp ett mål för att transformera kolfibrer, ett mycket starkt lättviktigt material som är lätt kommersiellt tillgängligt, i konstgjorda muskler.

"För att använda kolfibrer, vi var tvungna att förstå mekanismen för sammandragning av lindade muskler. När vi upptäckte teorin, vi lärde oss hur man omvandlar kolfibrer till ultrastarka muskler. Vi fyllde helt enkelt kolfiber bogser med lämplig typ av silikongummi, och deras prestanda var imponerande, precis vad vi hade siktat efter, "Sade Tawfick. Denna studie visar att muskelsammandragning orsakas av en ökning av muskelgarnets radie på grund av termisk expansion eller lösningsmedelsabsorption av silikonfiltret." Musklerna böjer sig när silikongummi lokalt skjuter isär fibrerna i släpet. , genom att applicera en spänning, värme eller svullnad med ett lösningsmedel. Det inre trycket som utövas från silikongummit på fibrerna får släpdiametern att expandera och slingra ut och orsaka en sammandragning längs längden. "

Under den experimentella karakteriseringen, en likspänning applicerades på spolens ändar för att inducera uppvärmning av kompositen och i sin tur orsaka dragaktivering. Spolens övre ände fixerades, medan en last fästes i botten för att skapa spänning. Dragkraften fångades av en filmkamera, och analyserade bild för bild. Dragaktivering inducerades också genom svullnad via flytande hexan som levererades till den lindade muskeln.

Kan dessa muskler böjas ännu mer, uppnå större slag? Den nära överenskommelsen mellan matematiska förutsägelser och experimentell förverkligande ger förtroende för att svara på denna fråga. Teamet fann att dragkraften för de artificiella spiralmusklerna kan begränsas av gästmaterialets (silikon) förmåga att expandera - en gräns som uppstår av gästmaterialets termiska nedbrytningsegenskaper. Detta förklarar varför muskler som aktiveras av svullnad har högre aktiveringsstammar, de kan svälla mer än värmeinducerade muskler. Den teoretiska modell som föreslagits av författarna belyser hur man utformar gästmaterial som kan möjliggöra muskler med en ännu mer imponerande prestanda.