Nya konstgjorda muskler gjorda av nanotekniska garner och infunderade med paraffinvax kan lyfta mer än 100, 000 gånger sin egen vikt och genererar 85 gånger mer mekanisk kraft under sammandragning än samma muskelmassa, enligt forskare vid University of Texas i Dallas och deras internationella team från Australien, Kina, Sydkorea, Kanada och Brasilien.

De konstgjorda musklerna är garn konstruerade av kolnanorör, som är sömlösa, ihåliga cylindrar gjorda av samma typ av grafitlager som finns i kärnan i vanliga pennor. Individuella nanorör kan vara 10, 000 gånger mindre än diametern på ett människohår, än, pund för pund, kan vara 100 gånger starkare än stål.

"De konstgjorda musklerna som vi har utvecklat kan ge stora, ultrasnabba sammandragningar för att lyfta vikter som är 200 gånger tyngre än möjligt för en naturlig muskel av samma storlek, "sa Dr. Ray Baughman [uttalad BAK-man], lagledare, Robert A. Welch professor i kemi och chef för Alan G. MacDiarmid NanoTech Institute vid UT Dallas. "Medan vi är glada över möjligheterna att använda applikationer på kort sikt, dessa konstgjorda muskler är för närvarande olämpliga för att direkt ersätta muskler i människokroppen. "

Beskriven i en studie som publicerades online i tidningen idag Vetenskap , de nya konstgjorda musklerna skapas genom att infiltrera en volymförändrande "gäst, "såsom paraffinvaxet som används för ljus, till ett tvinnat garn av kolnanorör. Uppvärmning av vaxfylld garn, antingen elektriskt eller med hjälp av en blixt av ljus, får vaxet att expandera, garnvolymen ökar, och garnlängden för kontrakt.

Kombinationen av garnvolymökning med minskning av garnlängd är resultatet av spiralformade strukturen som produceras genom att vrida garnet. Ett barns fingermanschettleksak, som är utformad för att fånga en persons fingrar i båda ändarna av en spiralvävd cylinder, har en analog verkan. Att rymma, man måste trycka ihop fingrarna, som drar ihop rörets längd och expanderar dess volym och diameter.

"På grund av deras enkelhet och höga prestanda, dessa garnmuskler kan användas för så olika applikationer som robotar, katetrar för minimalt invasiv kirurgi, mikromotorer, blandare för mikrofluidiska kretsar, avstämbara optiska system, mikroventiler, lägesställare och till och med leksaker, Sa Baughman.

Muskelkontraktion - även kallad aktivering - kan vara extremt snabb, sker på 25-tusendels sekund. Inklusive tider för både aktivering och reversering av aktivering, forskarna visade en kontraktil effektdensitet på 4,2 kW/kg, vilket är fyra gånger effekt / vikt-förhållandet för vanliga förbränningsmotorer.

För att uppnå dessa resultat, de gästfyllda kolnanorörsmusklerna var starkt vridna för att producera spiral, som med spiralen sett av ett gummiband av ett gummibanddrivet modellflygplan.

När den är fri att rotera, ett vaxfyllt garn slingrar sig när det värms elektriskt eller med en ljuspuls. Denna rotation vänder när uppvärmningen stoppas och garnet svalnar. Sådan vridning av garnet kan rotera en fäst paddel till en medelhastighet av 11, 500 varv per minut för mer än 2 miljoner reversibla cykler. Pund-per-pund, det genererade vridmomentet är något högre än vad som uppnås för stora elmotorer, Sa Baughman.

Eftersom garnmusklerna kan vridas ihop och kan vävas, sydd, flätad och knuten, de kan så småningom distribueras i en mängd självdrivna intelligenta material och textilier. Till exempel, förändringar i omgivningstemperaturen eller närvaron av kemiska medel kan förändra gästvolymen; sådan aktivering kan förändra textilporositeten för att ge termisk komfort eller kemiskt skydd. Sådana garnmuskler kan också användas för att reglera en flödesventil som svar på detekterade kemikalier, eller justera fönsterluckans öppning som svar på omgivningstemperaturen.

Även utan tillägg av ett gästmaterial, medförfattarna fann att införandet av coiling till nanorörsgarnet ökar tiofaldigt garnets termiska expansionskoefficient. Denna termiska expansionskoefficient är negativ, vilket betyder att det ofyllda garnet dras ihop när det värms upp. Uppvärmning av garnet i inert atmosfär från rumstemperatur till cirka 2, 500 grader Celsius gav mer än 7 procent kontraktion vid lyft av tunga laster, indikerar att dessa muskler kan användas till temperaturer 1000 C över stålets smältpunkt, där ingen annan ställdon med hög arbetsförmåga kan överleva.

"Denna kraftigt förstärkta termiska expansion för de lindade garnen indikerar att de kan användas som intelligenta material för temperaturreglering mellan 50 C under noll och 2, 500 C, "sa Dr Márcio Lima, en forskningsassistent i NanoTech Institute i UT Dallas som var medledande författare till Vetenskap papper med doktorand Na Li från Nankai University och NanoTech Institute.

"Vår anmärkningsvärda prestanda för våra garnmuskler och vår nuvarande förmåga att tillverka kilometerlånga garner tyder på att det är möjligt att tidigt kommersialisera som små ställdon som består av centimeterskalgarnlängd, "Baughman sa." Den svårare utmaningen är att uppskala våra enkelgarnsaktuatorer till stora ställdon där hundratals eller tusentals enskilda garnmuskler fungerar parallellt. "