En illustration av teamets hierarkiska konstruktion av fristående konstgjorda muskler av yllegarn för fuktkänsliga smarta textilier. Kredit:Peng et al.
Under de senaste åren har materialvetare designat ett brett utbud av innovativa material som kan användas för att skapa nya teknologier, inklusive mjuka robotar, kontroller och smarta textilier. Dessa material inkluderar konstgjorda muskler, strukturer som liknar biologiska muskler till formen och som kan förbättra robotarnas rörelser eller möjliggöra skapandet av kläder som anpassar sig till olika miljöförhållanden.
Som en del av ett pågående projekt fokuserat på textilbaserade mjuka manöverdon, utvecklade ett team av forskare vid Jiangnan University i Kina nyligen nya konstgjorda muskler baserade på fristående, enkelspiralformigt ullgarn. Deras konstgjorda muskler, introducerade i en artikel publicerad i Smart Materials and Structures , skulle kunna användas för att enkelt och prisvärt producera vridna ställdon som kan upptäcka och reagera på fukt i sin miljö.
"Vi försöker designa flexibla och mångsidiga ställdon genom att utnyttja den hierarkiska strukturdesignen av textilier, allt från mikroskalor (t.ex. molekylkedjor och aggregationsstrukturer) till makroskalor (t.ex. fibermorfologi och textilarkitekturer)," Fengxin Sun, en av de forskare som genomförde studien, berättade för Tech Xplore. "Att förverkliga en garnbaserad konstgjord muskel med fristående och enspiralformad arkitektur via en miljövänlig och lätttillverkad tillverkningsprocess är fortfarande utmanande."
Det primära syftet med det senaste arbetet av Sun och hans kollegor var att övervinna några av de vanliga utmaningarna när man designade konstgjorda muskler baserade på garn (dvs spunnen tråd). Framför allt har tidigare studier visat att det är långt ifrån en lätt uppgift att vrida garn för att skapa fristående konstgjorda muskelstrukturer utan att använda skadliga kemikalier eller processer.
Forskarna vid Jiangnan University kunde dock identifiera en miljövänlig behandlingsstrategi för pålitlig produktion av enspiralformad garnbaserad muskel. Deras tillverkningsmetod är baserad på en kombination av UV-belysning och plasmaetsning, en plasmabearbetningsteknik som ofta används för att producera integrerade kretsar.
Denna bearbetningsteknik kan begränsa avledningen av energi från yllefibrerna och på så sätt förbättra de konstgjorda musklernas aktiveringsprestanda. Dessutom är den effektiv, skalbar och lätt att implementera, så den kan vara idealisk för att tillverka dessa muskelliknande strukturer på industriell nivå.
"De konstgjorda musklerna av yllegarn vi skapade visar reversibel vridning när de alternativt exponeras för våta och torra miljöer," förklarade Sun. "Garnmusklerna uppvisar en imponerande vridningspåverkan vid vätning, som ett resultat av den förstärkta hygroskopiska expansionen av de kraftigt vridna ullarna. Den stelnade spiralformade morfologin i ullarna som är ett resultat av de reformerade disulfidnätverken ger yllegarn en "formminneseffekt". '"
På grund av den unika design- och tillverkningsmetod som används av forskarna, kan garnet som utgör deras konstgjorda muskelstruktur återställa sin ursprungliga spiralform efter att det har torkat, utan att behöva integrera en extern fjäder. I de första testerna uppvisade de enkelspiralformade garnbaserade musklerna reversibel och fuktavkännande aktivering, såväl som en hög fuktaktiverande prestanda med lägre energiförlust.
Anmärkningsvärt nog är tillverkningsprocessen som används av Sun och hans kollegor också miljövänlig, eftersom den inte kräver några kemiska eller giftiga tillsatser. Eftersom deras konstgjorda muskler är gjorda av ull, som till sin natur är biologiskt nedbrytbar och förnybar, skulle de kunna användas för att skapa mer hållbar teknik och smarta textilier.
"Enkelspiralformade strukturer anses generellt vara instabila och benägna att tvinnas utan extern vridningstjudring, men vi utnyttjar här den inre tjudereffekten av reformerade disulfidbryggor i det spiralformade strukturtillståndet av ull för att stabilisera de införda vridningarna i garnmusklerna via UV-ljus belysning och autooxidation," sa Sun. "En sådan strategi är helt miljövänlig och förbättrar avsevärt aktiveringsprestandan hos yllegarnsmuskler."
I framtiden kan det senaste arbetet av detta team av forskare inspirera till utvecklingen av nya garnbaserade manöverdon och konstgjorda muskler för robotar som kan produceras hållbart, till rimliga kostnader och i stor skala. Dessutom kunde det enspiralformade yllegarnet som de producerade användas för att skapa bekväma, andningsbara, giftfria och hudvänliga textilier för smarta kläder, smarta campingutrustning och andra smarta textilprodukter.
"I nästa steg av vår forskning kommer vi att utforska vägen mot industriell tillverkning av våra konstgjorda muskler, för att förverkliga deras massproduktion och främja teknisk innovation mot kommersiell tillämpning av garnmusklerna i smarta textilier," tillade Sun. "Genom att avbilda en skjorta kan garnet anpassa sig till olika väderförhållanden genom att växla lufthållen på tyget intelligent, det skulle vara fascinerande. Vi hoppas att den här typen av kläder kommer att bli tillgängliga i vårt dagliga liv till en låg kostnad." + Utforska vidare
© 2022 Science X Network
