I mer än 15 år, forskare vid University of Texas i Dallas och deras medarbetare i USA, Australien, Sydkorea och Kina har tillverkat konstgjorda muskler genom att vrida och linda kolnanorör eller polymergarn. När den drivs med värme, dessa muskler aktiveras genom att dra ihop sin längd när de värms upp och återgå till sin ursprungliga längd när de kyls. Sådana termiskt drivna konstgjorda muskler, dock, har begränsningar.

Elektrokemiskt drivna kolnanorörsmuskler (CNT) ger ett alternativt tillvägagångssätt för att möta det växande behovet av snabba, kraftfull, konstgjorda muskler med stort slag för applikationer som sträcker sig från robotik och hjärtpumpar till morphing-kläder.

"Elektrokemiskt drivna muskler är särskilt lovande, eftersom deras energiomvandlingseffektivitet inte begränsas av den termodynamiska värmemotorgränsen för termiska muskler, och de kan upprätthålla stora kontraktila slag samtidigt som de stöder tunga belastningar utan att förbruka betydande energi, " sa Dr. Ray Baughman, Robert A. Welch Distinguished Chair i kemi och chef för Alan G. MacDiarmid NanoTech Institute vid UT Dallas. "I kontrast, mänskliga muskler och termiskt drivna muskler behöver en stor mängd inmatad energi för att stödja tunga belastningar även när de inte utför mekaniskt arbete."

I en studie publicerad online den 28 januari i tidskriften Vetenskap , forskarna beskriver att skapa kraftfulla, unipolära elektrokemiska garnmuskler som drar ihop sig mer när de körs snabbare, därigenom lösa viktiga problem som har begränsat tillämpningarna för dessa muskler.

Elektrokemiskt drivna CNT-garnmuskler aktiveras genom att applicera en spänning mellan muskeln och en motelektrod, som driver joner från en omgivande elektrolyt in i muskeln.

Men det finns begränsningar för elektrokemiska CNT-muskler. Först, muskelaktiveringen är bipolär, vilket innebär att muskelrörelser – antingen expansion eller sammandragning – växlar riktning under en potentiell skanning. Potentialen vid vilken slaget växlar riktning är potentialen för nollladdning, och hastigheten med vilken potentialen förändras över tiden är den potentiella avsökningshastigheten.

En annan fråga:En given elektrolyt är endast stabil över ett visst spänningsområde. Utanför detta intervall, elektrolyten bryts ner.

"Tidigare garnmuskler kan inte använda hela stabilitetsintervallet för elektrolyten, sa Baughman, motsvarande författare till studien. "Också, muskelns kapacitans – dess förmåga att lagra den laddning som behövs för aktivering – minskar med ökande potentiell skanningshastighet, vilket gör att muskelslaget minskar dramatiskt med ökande aktiveringshastighet."

För att lösa dessa problem, forskarna upptäckte att de inre ytorna på lindade kolnanorörsgarn kunde beläggas med en lämplig jonledande polymer som innehåller antingen positivt eller negativt laddade kemiska grupper.

"Denna polymerbeläggning omvandlar den normala bipolära aktiveringen av kolnanorörsgarn till unipolär aktivering, där muskeln verkar i en riktning över hela elektrolytens stabilitetsområde, "Sa Baughman. "Detta långsökta beteende har överraskande konsekvenser som gör elektrokemiska kolnanorörsmuskler mycket snabbare och mer kraftfulla."

Kemi doktorand Zhong Wang, en av studiens första författare, förklarade den underliggande vetenskapen:"Polymerens dipolära fält förskjuter potentialen för nollladdning - vilket är där den elektroniska laddningen på nanorören ändrar tecken - till utanför elektrolytens stabilitetsområde. Därför, joner av endast ett tecken injiceras elektrokemiskt för att kompensera denna elektroniska laddning, och muskelns slaglängd ändras i en riktning över hela detta användbara potentiella skanningsintervall."

Dr Jiuke Mu, docent forskningsprofessor vid UT Dallas NanoTech Institute och en av första författare, sade polymerbeläggningen hjälper till att lösa kapacitansproblemet hos elektrokemiska garnmuskler.

"Antalet lösningsmedelsmolekyler som pumpas in i muskeln av varje jon ökar med ökande potentiell skanningshastighet för vissa unipolära muskler, vilket ökar den effektiva jonstorleken som driver aktivering, sade Mu. muskelslag kan öka med en faktor 3,8 med ökande potentiell skanningsfrekvens, medan slaget av kolnanorörsgarnmuskler utan polymerbeläggning minskar med en faktor 4,2 för samma förändringar i potentiell skanningshastighet."

Framstegen ger elektrokemiska unipolära muskler som drar ihop sig för att generera en maximal genomsnittlig mekanisk uteffekt per muskelvikt på 2,9 watt/gram, vilket är ungefär 10 gånger den typiska förmågan hos mänskliga muskler och ungefär 2,2 gånger den viktnormaliserade kraftkapaciteten hos en turboladdad V-8-dieselmotor.

Polymerbeläggningen som användes för att producera dessa resultat var poly(natrium-4-styrensulfonat), som är godkänd för droganvändning och tillräckligt billig för användning i vattenavhärdning. Införlivandet av denna polymergäst möjliggjorde praktisk drift av en kolnanorörsmuskel från höga temperaturer till under minus 30 grader Celsius.

Wang sa att teamet också upptäckte att unipolärt beteende, utan skanningshastighetsförstärkta slag, kunde erhållas när grafenoxidnanoplättar införlivades i garnmuskeln med hjälp av en biscrolling-process som forskare från UT Dallas skapade och patenterade.

"Användningen av denna gäst för att tillhandahålla de dipolära fälten som behövs för unipolärt beteende ökade den maximala genomsnittliga kontraktila mekaniska effekten från muskeln till anmärkningsvärda 8,2 watt/gram, vilket är 29 gånger den maximala kapaciteten för en mänsklig muskel med samma vikt och ungefär 6,2 gånger den för en turboladdad V-8-dieselmotor, " sa Wang.

"Vi upptäckte också att två olika typer av unipolära garnmuskler, var och en med sökningar med ökad skanningshastighet, kan kombineras för att göra en dubbelelektrod, heltäckande garnmuskel, därigenom eliminerar behovet av ett flytande elektrolytbad, " Wang sa. "En solid state elektrolyt används för att lateralt sammankoppla två lindade kolnanorörsgarn som innehåller olika polymergäster, en med negativt laddade substituenter och den andra med positivt laddade substituenter. Båda garnen drar ihop sig under laddning för att additivt bidra till aktivering, på grund av injektionen av positiva och negativa joner, respektive. Dessa unipolära muskler med dubbla elektroder vävdes för att göra aktiva textilier som kunde användas för att förvandla kläder."