Inspirerad av musklernas struktur kan en innovativ ny strategi för att skapa fiberaktuatorer leda till framsteg inom robotik, proteser och smarta kläder, enligt ett team av forskare som leddes av Penn State som upptäckte processen.

"Manöverdon är vilket material som helst som kommer att förändras eller deformeras under externa stimuli, som delar av en maskin som kommer att dra ihop sig, böjas eller expandera", säger Robert Hickey, biträdande professor i materialvetenskap och teknik vid Penn State. "Och för teknologier som robotik måste vi utveckla mjuka, lätta versioner av dessa material som i princip kan fungera som konstgjorda muskler. Vårt arbete handlar egentligen om att hitta ett nytt sätt att göra detta på."

Teamet utvecklade en tvåstegsprocess för att tillverka fibermanöverdon som efterliknar strukturen hos muskelfibrer och som utmärker sig i flera aspekter jämfört med andra nuvarande manöverdon, inklusive i effektivitet, manöverbelastning och mekaniska egenskaper. De rapporterade sina fynd idag (2 juni) i tidskriften Nature Nanotechnology .

"Det här är ett stort område och det finns mycket spännande forskning där ute, men det har verkligen varit fokuserat på tekniska material för att optimera egenskaper," sa Hickey. "Det som gör vårt arbete spännande är att vi verkligen fokuserar på sambandet mellan kemi, struktur och egendom."

Hickey ledde tidigare ett team som producerade självmonterande, nanostrukturerade hydrogelmaterial. Hydrogeler är nätverk av polymerer som kan svälla och hålla stora mängder vatten samtidigt som de behåller sin struktur.

I den nya forskningen fann forskarna att fibrer gjorda av detta hydrogelmaterial kan sträcka sig flera gånger sin ursprungliga längd när de hydratiseras och härda och låsa sig i den långsträckta formen när de torkas i utsträckt tillstånd. Genom att lägga till vatten eller värme kan materialet snäppa tillbaka till sin ursprungliga storlek, vilket gör det lovande för användning som ställdon, sa forskarna.

"Vi började inse att dessa fibrer drog sig samman och visade några riktigt fascinerande egenskaper," sa Hickey. "När vi började karakterisera strukturen insåg vi att det var några fundamentalt intressanta saker på gång här. Och vi började inse att strukturen på dessa på många sätt efterliknade eller speglade naturliga muskler."

Materialen består av högt anpassade strukturer i nanoskala med alternerande kristallina och amorfa domäner, som liknar det ordnade och tvärstrimmiga mönstret hos däggdjursskelettmuskler, sa forskarna.

Hydrogelernas exceptionella sträckegenskaper är ett resultat av kombinationen av styva amorfa nanoskaliga domäner och porer i mikrometerskala fyllda med vatten. När hydrogelerna sträcks snäpper de tillbaka som ett gummiband. Om de sträckta fibrerna torkas i det utsträckta tillståndet kommer polymernätverket att kristallisera, vilket låser sig i fibrernas långsträckta form.

"Vi tror att en av de grundläggande anledningarna till att vi har dessa exceptionella egenskaper är att fibrerna är organiserade mycket exakt på nanometerskala, på samma sätt som sarkomeren av en mänsklig muskel," sa Hickey. "Vad som händer är att du har en enhetlig sammandragning. Dessa amorfa domäner är alla organiserade exakt längs fibern, och det betyder att de drar ihop sig i en enda riktning, vilket ger upphov till denna förmåga att komma tillbaka till det ursprungliga tillståndet."

Genom att applicera vatten eller värme på de sträckta materialen smälter kristallerna och låter materialet återgå till sin ursprungliga form. När det sträcks till fem gånger sin ursprungliga längd kan materialet återgå till inom 80 % av sin storlek och kan göra detta över många cykler utan att prestanda försämras, sa forskarna.

"Det faktum att vi kan använda två olika stimuli, värme och vatten, för att utlösa aktivering öppnar upp för dubbla möjligheter för material tillverkade med denna metod," sa Hickey. "De flesta ställdon utlöses av en enda stimulans. Dubbla stimuli öppnar upp för mångsidigheten hos våra material." + Utforska vidare

Tekniken påskyndar termisk aktivering för mjuk robotik