När en gurkväxt växer, det spirar hårt hoprullade rankor som söker sig till stöd för att dra plantan uppåt. Detta säkerställer att växten får så mycket solljus som möjligt. Nu, forskare vid MIT har hittat ett sätt att imitera denna lindnings-och-dragmekanism för att producera sammandragande fibrer som kan användas som konstgjorda muskler för robotar, proteser, eller andra mekaniska och biomedicinska tillämpningar.

Medan många olika metoder har använts för att skapa konstgjorda muskler, inklusive hydraulsystem, servomotorer, formminnesmetaller, och polymerer som reagerar på stimuli, de har alla begränsningar, inklusive hög vikt eller långsamma svarstider. Det nya fiberbaserade systemet, däremot är extremt lätt och kan svara mycket snabbt, säger forskarna. Fynden rapporteras idag i tidskriften Vetenskap .

De nya fibrerna har utvecklats av MIT postdoc Mehmet Kanik och MIT doktorand Sirma Örgüç, arbetar med professorerna Polina Anikeeva, Yoel Fink, Anantha Chandrakasan, och C. Cem Tasan, och fem andra, genom att använda en fiberritningsteknik för att kombinera två olika polymerer till en enda fibersträng.

Nyckeln till processen är att kombinera två material som har mycket olika värmeutvidgningskoefficienter - vilket betyder att de har olika expansionshastigheter när de värms upp. Detta är samma princip som används i många termostater, till exempel, använda en bimetallremsa som ett sätt att mäta temperatur. När det sammanfogade materialet värms upp, den sida som vill expandera snabbare hålls tillbaka av det andra materialet. Som ett resultat, det bundna materialet kryper ihop sig, böjer sig mot den sida som expanderar långsammare.

Genom att använda två olika polymerer sammanbundna, en mycket töjbar cyklisk sampolymerelastomer och en mycket styvare termoplastisk polyeten, Kanik, Örgüç och kollegor producerade en fiber som, när den sträcks ut till flera gånger sin ursprungliga längd, formar sig naturligt till en tät spole, mycket lik de rankor som gurkor producerar. Men vad som sedan hände kom faktiskt som en överraskning när forskarna först upplevde det. "Det var mycket serendipity i det här, " minns Anikeeva.

Så snart Kanik tog upp den lindade fibern för första gången, bara värmen från hans hand fick fibern att krypa ihop sig mer. Efter den iakttagelsen, han fann att även en liten ökning av temperaturen kunde få spolen att dra åt, producerar en förvånansvärt stark dragkraft. Sedan, så fort temperaturen sjunkit igen, fibern återgick till sin ursprungliga längd. I senare tester, teamet visade att denna kontrakt med kontrakt och expansion kunde upprepas 10, 000 gånger "och det gick fortfarande starkt, " säger Anikeeva.

En av anledningarna till den långa livslängden, hon säger, är att "allt fungerar under mycket måttliga förhållanden, " inklusive låga aktiveringstemperaturer. Bara en ökning på 1 grad Celsius kan räcka för att starta fibersammandragningen.

Fibrerna kan sträcka sig över ett brett spektrum av storlekar, från några mikrometer (miljondelar av en meter) till några millimeter (tusendelar av en meter) i bredd, och kan enkelt tillverkas i partier upp till hundratals meter långa. Tester har visat att en enskild fiber kan lyfta laster på upp till 650 gånger sin egen vikt. För dessa experiment på enskilda fibrer, Örgüç och Kanik har utvecklat dedikerade, miniatyriserade testinställningar.

Graden av åtdragning som uppstår när fibern värms kan "programmeras" genom att bestämma hur mycket av en första sträcka som ska ge fibern. Detta gör att materialet kan justeras till exakt den mängd kraft som behövs och mängden temperaturförändring som behövs för att utlösa den kraften.

Fibrerna är tillverkade med ett fiberdragningssystem, vilket gör det möjligt att införliva andra komponenter i själva fibern. Fiberritning görs genom att skapa en överdimensionerad version av materialet, kallas en förform, som sedan värms upp till en specifik temperatur vid vilken materialet blir trögflytande. Den kan sedan dras, ungefär som att dra taffy, att skapa en fiber som behåller sin inre struktur men som är en liten del av förformens bredd.

För teständamål, forskarna täckte fibrerna med maskor av ledande nanotrådar. Dessa maskor kan användas som sensorer för att avslöja den exakta spänningen som fibern upplever eller utövar. I framtiden, dessa fibrer kan också innefatta värmeelement såsom optiska fibrer eller elektroder, tillhandahåller ett sätt att värma det internt utan att behöva förlita sig på någon extern värmekälla för att aktivera sammandragningen av "muskeln".

Sådana fibrer kan användas som manöverdon i robotarmar, ben, eller gripare, och i proteser, där deras låga vikt och snabba svarstider skulle kunna ge en betydande fördel.

Vissa proteser kan idag väga så mycket som 30 pund, med mycket av vikten från ställdon, som ofta är pneumatiska eller hydrauliska; lättare aktuatorer skulle därmed kunna göra livet mycket enklare för dem som använder proteser. Sådana fibrer kan också användas i små biomedicinska apparater, som en medicinsk robot som fungerar genom att gå in i en artär och sedan aktiveras, "Anikeeva föreslår." Vi har aktiveringstider i storleksordningen tiotals millisekunder till sekunder, "beroende på måtten, hon säger.

För att ge större styrka för att lyfta tyngre laster, fibrerna kan buntas ihop, ungefär som muskelfibrer buntas ihop i kroppen. Teamet testade framgångsrikt buntar med 100 fibrer. Genom fiberdragningsprocessen, sensorer kan också införlivas i fibrerna för att ge feedback om förhållanden de möter, såsom i en protes. Örgüç säger att buntade muskelfibrer med en återkopplingsmekanism med sluten slinga kan hitta tillämpningar i robotsystem där automatiserad och exakt kontroll krävs.

Kanik säger att möjligheterna för material av denna typ är praktiskt taget obegränsade, eftersom nästan vilken kombination av två material som helst med olika värmeutvidgningshastigheter skulle kunna fungera, lämnar ett stort rike av möjliga kombinationer att utforska. Han tillägger att detta nya fynd var som att öppna ett nytt fönster, bara för att se "ett gäng andra fönster" som väntar på att öppnas.

"Styrkan i detta arbete kommer från dess enkelhet, " han säger.