Under de senaste 15 åren har forskare vid University of Texas i Dallas och deras internationella kollegor har uppfunnit flera typer av starka, kraftfulla konstgjorda muskler som använder material som sträcker sig från högteknologiska kolnanorör (CNT) till vanliga fiskelinor.

I en ny studie publicerad 12 juli i tidningen Vetenskap , forskarna beskriver deras senaste framsteg, kallas slida-run artificiella muskler, eller SRAM.

Forskargruppens tidigare muskler gjordes genom att vrida CNT -garn, polymerfiske eller sytråd i nylon. Genom att vrida dessa fibrer till den grad att de slingrar, forskarna producerade muskler som dramatiskt drar ihop sig, eller aktivera, längs deras längd vid uppvärmning och återgå till sin ursprungliga längd när de kyls.

För att bilda de nya musklerna, forskargruppen applicerade en polymerbeläggning på vridna CNT -garner, liksom till billig nylon, garn av siden och bambu, skapa ett hölje runt garnkärnan.

"I våra nya muskler, det är höljet runt ett lindat eller vrängt garn som driver aktivering och ger mycket högre arbete per cykel och effekttäthet än för våra tidigare muskler, "sa Dr. Ray Baughman, motsvarande författare till studien, Robert A. Welch Distinguished Chair in Chemistry och chef för Alan G. MacDiarmid NanoTech Institute vid UT Dallas.

I deras experiment, ett viktigt steg för att göra de färdiga musklerna var att vrida de nybelagda garnen tills de slingrar, medan mantelmaterialet fortfarande var blött.

"Om du sätter in vridning eller lindning efter att höljet har torkat, slidan kommer att spricka, "Baughman sa." Att optimera tjockleken på höljet är också mycket viktigt. Om den är för tjock, det vridna garnet i kärnan kommer inte att kunna röra sig eftersom höljet håller det på plats. Om den är för tunn, garnets vridning kommer att få höljet att spricka. "

Dr Jiuke Mu, huvudförfattare till studien och forskare vid NanoTech Institute, utvecklade först konceptet med den slida-körda konstgjorda muskeln. I konfigurationen för mantelkörning, ytterhöljet absorberar energi och driver muskelns aktivering.

"I våra tidigare vridna och lindade muskler, vi applicerade termisk energi på hela muskeln, men bara det yttre, den vridna delen av fibern utförde något mekaniskt arbete - den centrala delen gjorde lite, "Sa Mu." Med hjälp av höljet, ingångsenergin kan omvandlas till muskelns mekaniska energi snabbare och mer effektivt.

"Varför konsumera energi genom att värma upp hela garnet, när allt du behöver är att värma den yttre delen av garnet för att det ska aktiveras? "sa Mu." Med våra nya muskler, vi behöver bara lägga energi i höljet. "

Baughman sa att många material kunde användas för slidan, så länge de har styrka och kan genomgå dimensionella förändringar under olika omgivningsvariabler, såsom förändringar i temperatur eller fukt.

När den används elektrokemiskt, en muskel bestående av en CNT -mantel och en nylonkärna genererade en genomsnittlig kontraktilkraft som är 40 gånger den hos mänskliga musklerna och 9 gånger den för den elektrokemiska muskeln med högsta effekt.

"I vårt tidigare arbete, vi visade att garn gjorda av kolnanorör gör underbara konstgjorda muskler. Sådana garner är lätta, men är starkare och kraftfullare än mänskliga muskler av samma längd och vikt, Sa Baughman.

"Men garn av kolnanorör är väldigt dyrt, så i det här nya verket, vi går åt ett annat håll, "sa han." Vi upptäckte att även om vi kan använda kolnanorör som kärnmaterial för konstgjorda muskler, vi behöver inte. Vi visade att CNT -garn kan ersättas med billiga, kommersiellt tillgängliga garner. "

Han tillade att polymerbeläggningsprocessen lätt kan skalas upp för kommersiell produktion.

"Eftersom SRAM -tekniken möjliggör ersättning av CNT -garn med billigare garn, dessa muskler är mycket attraktiva för intelligenta strukturer, som robotik och komfortjusterande kläder, Sa Baughman.

För att demonstrera möjliga konsumenttillämpningar av slida-körda konstgjorda muskler, forskarna stickade SRAM till en textil som ökade porositeten när de utsattes för fukt. De demonstrerade också en SRAM tillverkad av polymerbelagd nylontråd som linjärt dras ihop när den utsätts för ökande glukoskoncentration. Denna muskel kan användas för att pressa en påse för att släppa ut medicin för att motverka högt blodsocker.