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这幅图显示了扭曲的碳纳米管纱(CNT)(左)和鞘流人造肌肉(SRAM),通过将扭曲的CNT纱涂上聚合物鞘层制成。右图为一个42微米外径的螺旋SRAM的扫描电子显微镜图像。
这幅图显示了扭曲的碳纳米管纱(CNT)(左)和鞘流人造肌肉(SRAM),通过将扭曲的CNT纱涂上聚合物鞘层制成。右图为一个42微米外径的螺旋SRAM的扫描电子显微镜图像。

摘要:
在过去的15年里,达拉斯德克萨斯大学的研究人员和他们的国际同事发明了几种强效剂,使用高科技碳纳米管(CNT)和普通钓鱼线等材料制成的强大的人造肌肉。

鞘推动强大的新人造肌肉

达拉斯,Tx 7月11日发布,2019年

研究组以前的肌肉是通过扭曲碳纳米管纱制成的,聚合物钓鱼线或尼龙缝纫线。把这些纤维扭到它们盘绕的位置,研究人员制造出的肌肉急剧收缩,或者启动,加热时沿其长度,冷却时回到初始长度。

为了形成新的肌肉,研究小组将聚合物涂层应用于扭曲的CNT纱线,以及便宜的尼龙,丝竹纱,在纱芯周围形成护套。

“在我们的新肌肉中,它是缠绕或扭曲纱线周围的鞘层,可以驱动动力,提供比以前肌肉更高的每循环功和功率密度。雷·鲍曼,研究的通讯作者,罗伯特A。韦尔奇杰出的化学主席和艾伦G。达拉斯大学麦克迪亚米德纳米技术研究所。

在他们的实验中,制作成品肌肉的一个关键步骤是将新涂层的纱线拧成螺旋状,而鞘层材料仍然是湿的。

“如果在鞘干后插入扭曲或卷取,鞘会裂开,”鲍曼说。优化护套厚度也非常重要。如果太厚,芯部的捻线将无法解开,因为护套将其固定到位。如果太薄,纱线的解捻会导致护套断裂。”

博士。九科牧,该研究的主要作者和纳米技术研究所的研究科学家,首先发展了鞘流人工肌肉的概念。在护套运行配置中,外鞘吸收能量并驱动肌肉的运动。

“在我们以前扭动和盘绕的肌肉中,我们把热能应用于整个肌肉,但只有外面,纤维的扭曲部分在做任何机械工作——中心部分几乎没有做什么,”穆说。“使用护套,输入能量可以更快、更有效地转化为肌肉的机械能。

“为什么要通过加热整根纱线来消耗能量,当你只需要加热纱线的外部就可以开动时?”穆说。“我们的新肌肉,我们只需要把能量注入鞘中。”

Baughman说许多材料可以用于护套,只要它们有强度,在各种环境变量下都能发生尺寸变化,如温度或湿度的变化。

电化学操作时,由碳纳米管鞘和尼龙芯组成的肌肉产生的平均收缩力是人体肌肉的40倍,是最高能量替代电化学肌肉的9倍。

“在我们之前的工作中,我们发现由碳纳米管制成的纱线可以制造出很好的人造肌肉。这种纱线很轻,然而,它们比同样长度和重量的人体肌肉更强壮、更强大,”鲍曼说。

“但是碳纳米管纱非常昂贵,所以在这项新工作中,我们的方向不同,”他说。“我们发现,虽然我们可以使用碳纳米管作为鞘流人造肌肉的核心材料,我们不需要。我们证明碳纳米管纱线可以用便宜的替代,商用纱线。”

他补充说,聚合物涂层工艺可以很容易地扩大到商业生产。

“由于SRAM技术能够用更便宜的纱线替代CNT纱线,这些肌肉对智能结构非常有吸引力,比如机器人和舒适性调整服装,”鲍曼说。

为了演示鞘流人工肌肉的潜在消费者应用,研究人员将SRAM编织成一种织物,当暴露在潮湿环境中时,这种织物会增加多孔性。他们还展示了一种由聚合物涂层尼龙线制成的SRAM,当暴露在不断增加的葡萄糖浓度下时,它会线性收缩。这种肌肉可以用来挤压一个袋子来释放药物来抵消高血糖。

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发明人已经申请了临时美国技术专利。

除了鲍曼和穆之外,参与这项工作的达拉斯纳米技术研究所的研究人员包括Monica Jung de Andrade,研究科学家;博士。方少利,副研究教授;和博士。金世贤,博士后研究员。金贤贤也参加了会议,生物工程博士生;博士。泰勒·沃伊,生物工程助理教授;和博士。董倩博士红兵路,机械工程教授。

研究作者还包括乔治亚南部大学的研究人员;澳大利亚卧龙岗大学;中国的东华大学和武汉大学;韩国汉阳大学;以及生物科学公司Milliporesigma。

这项研究是由几个来源资助的:空军科学研究办公室,海军研究办公室,国家科学基金会罗伯特A。韦尔奇基金会澳大利亚研究理事会,韩国国家研究基金会,上海市科学技术委员会。

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阿曼达·齐格弗里德

972-883-4335

版权所有©德州大学达拉斯分校

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