UCLA materialforskare och kollegor vid det ideella vetenskapliga forskningsinstitutet SRI International har utvecklat ett nytt material och tillverkningsprocess för att skapa konstgjorda muskler som är starkare och mer flexibla än sina biologiska motsvarigheter.

"Att skapa en konstgjord muskel för att möjliggöra arbete och detektera kraft och beröring har varit en av de stora utmaningarna inom vetenskap och ingenjörsvetenskap", säger Qibing Pei, professor i materialvetenskap och ingenjörsteknik vid UCLA Samueli School of Engineering och motsvarande författare till en studie som nyligen publicerades i Science .

För att ett mjukt material ska övervägas att användas som en konstgjord muskel måste det kunna avge mekanisk energi och förbli livskraftigt under höga belastningsförhållanden – vilket innebär att det inte lätt tappar sin form och styrka efter upprepade arbetscykler. Medan många material har ansetts vara utmanare för att tillverka konstgjorda muskler, har dielektriska elastomerer (DE) - lätta material med hög elastisk energitäthet - varit av speciellt intresse på grund av deras optimala flexibilitet och seghet.

Dielektriska elastomerer är elektroaktiva polymerer, som är naturliga eller syntetiska ämnen som består av stora molekyler som kan ändra storlek eller form när de stimuleras av ett elektriskt fält. De kan användas som ställdon, vilket gör det möjligt för maskiner att fungera genom att omvandla elektrisk energi till mekaniskt arbete.

De flesta dielektriska elastomerer är gjorda av antingen akryl eller silikon, men båda materialen har nackdelar. Medan traditionella akryl-DEs kan uppnå hög aktiveringstöjning, kräver de försträckning och saknar flexibilitet. Silikoner är lättare att göra, men de tål inte höga påfrestningar.

Genom att använda kommersiellt tillgängliga kemikalier och använda en ultraviolett (UV) ljushärdningsprocess, skapade det UCLA-ledda forskarteamet ett förbättrat akrylbaserat material som är mer böjligt, avstämbart och enklare att skala utan att förlora sin styrka och uthållighet. Medan akrylsyran gör det möjligt för fler vätebindningar att bildas, vilket gör materialet mer rörligt, justerade forskarna också tvärbindningen mellan polymerkedjor, vilket gjorde att elastomererna blev mjukare och mer flexibla. Den resulterande tunna, bearbetbara, högpresterande dielektriska elastomerfilmen, eller PHDE, placeras sedan mellan två elektroder för att omvandla elektrisk energi till rörelse som ett manöverdon.

Varje PHDE-film är lika tunn och lätt som en bit människohår, cirka 35 mikrometer i tjocklek, och när flera lager staplas ihop blir de en elektrisk miniatyrmotor som kan agera som muskelvävnad och producera tillräckligt med energi för att driva rörelse för små robotar eller sensorer. Forskarna har gjort staplar av PHDE-filmer som varierar från fyra till 50 lager.

"Detta flexibla, mångsidiga och effektiva manöverdon kan öppna portarna för konstgjorda muskler i nya generationer av robotar, eller i sensorer och bärbar teknik som mer exakt kan efterlikna eller till och med förbättra mänskliga rörelser och kapaciteter," sa Pei.

Konstgjorda muskler utrustade med PHDE-manöverdon kan generera fler megapascal kraft än biologiska muskler och de visar också tre till tio gånger mer flexibilitet än naturliga muskler.

Multilayered soft films are usually manufactured via a "wet" process that involves depositing and curing liquid resin. But that process can result in uneven layers, which make for a poor- performing actuator. For this reason, up to now, many actuators have only been successful with single-layer DE films.

The UCLA research involves a "dry" process by which the films are layered using a blade and then UV-cured to harden, making the layers uniform. This increases the actuator's energy output so that the device can support more complex movements.

The simplified process, along with the flexible and durable nature of the PHDE, allows for the manufacture of new soft actuators capable of bending to jump, like spider legs, or winding up and spinning. The researchers also demonstrated the PHDE actuator's ability to toss a pea-sized ball 20 times heavier than the PHDE films. The actuator can also expand and contract like a diaphragm when a voltage is switched on and off, giving a glimpse of how artificial muscles could be used in the future.

The advance could lead to soft robots with improved mobility and endurance, and new wearable and haptic technologies with a sense of touch. The manufacturing process could also be applied to other soft thin-film materials for applications including microfluidic technologies, tissue engineering or microfabrication. + Utforska vidare

A unimorph nanocomposite dielectric elastomer for large-scale actuation