En filament kläms fast vid den övre änden och försträcks en liten del genom att anbringa en nedåtriktad axiell belastning på den nedre änden. Den nedre änden vrids sedan, hålla den axiella belastningen på den nedre änden konstant. Efter att en kritisk mängd vridning har införts, filamentet spänner sig spontant i en loopy. Kredit:Nicholas Charles/Harvard SEAS
Konstgjorda muskler kommer att driva framtidens mjuka robotar och bärbara enheter. Men mer behöver förstås om den underliggande mekaniken i dessa kraftfulla strukturer för att kunna designa och bygga nya enheter.
Nu, forskare från Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) har avslöjat några av de grundläggande fysiska egenskaperna hos konstgjorda muskelfibrer.
"Tunna mjuka filament som lätt kan sträckas, böja, vridning eller skjuvning kan göra extrema deformationer som leder till knutliknande, flätliknande eller slingliknande strukturer som enkelt kan lagra eller släppa ut energi, " sa L. Mahadevan, Lola England de Valpine professor i tillämpad matematik, av organisk och evolutionär biologi, och fysik. "Detta har utnyttjats av ett antal experimentella grupper nyligen för att skapa prototypiska konstgjorda muskelfibrer. Men hur topologin, geometri och mekanik hos dessa smala fibrer möts under denna process var inte helt klart. Vår studie förklarar de teoretiska principerna bakom dessa formtransformationer, och belyser de underliggande designprinciperna. "
"Mjuka fibrer är basenheten i en muskel och kan användas i allt från robotik till smarta textilier som kan svara på stimuli som värme eller fuktighet, sa Nicholas Charles, en Ph.D. student i tillämpad matematik och första författare till uppsatsen. "Möjligheterna är oändliga, om vi kan förstå systemet. Vårt arbete förklarar den komplexa morfologin hos mjuka, starkt sträckta och vridna fibrer och ger riktlinjer för de bästa designerna."
En filament kläms fast vid den övre änden och försträcks genom att anbringa en nedåtriktad axiell belastning på den nedre änden. Efter att en kritisk mängd vridning har införts, glödtråden spänns spontant till en form som kallas en solenoid. Kredit:Nicholas Charles/Harvard SEAS
Forskningen är publicerad i Fysiska granskningsbrev .
Mjuka fibrer, eller filament, kan sträckas, klippt, böjd eller vriden. Hur dessa olika åtgärder interagerar för att bilda knutar, flätor, och spiraler är viktiga för konstruktionen av mjuka ställdon. Föreställ dig att sträcka och vrida ett gummiband så hårt du kan. När vridningen blir hårdare och hårdare, en del av bandet kommer att dyka upp ur planet och börja vrida sig runt i en spole eller knut. Dessa spolar och slingor, i rätt form, kan utnyttjas för att aktivera den knutna fibern.
Forskarna fann att olika nivåer av sträckning och vridning resulterar i olika typer av komplexa icke-plana former. De kännetecknade vilka former som leder till böjda öglor, vilka till täta spolar, och vilken till en blandning av de två. De fann att försträckning är viktigt för att bilda spolar, eftersom dessa former är de mest stabila under sträckning, och modellerade hur sådana spolar kan användas för att producera mekaniskt arbete.
"Denna forskning ger oss ett enkelt sätt att förutsäga hur mjuka filament kommer att svara på vridning och sträckning, sa Charles.
"Går framåt, vårt arbete kan också vara relevant i andra situationer som involverar trassliga filament, som i hårslingor, polymerdynamik och dynamiken hos magnetfältslinjer i solen och andra stjärnor, sa Mahadevan.
