英國研究人員開發(fā)出螺旋碳纖維制成的人造肌肉
近日，伊利諾伊大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程系（MechSE）的研究人員開發(fā)出一種由碳纖維和橡膠制成的人造肌肉，能夠承受12000倍于自身的重量。
研究人員從碳纖維這種強(qiáng)韌但質(zhì)量極輕的材料著手，為了使其更易于發(fā)生形變，使用合適的硅橡膠（聚二甲基硅氧烷（PDMS）橡膠）填充碳纖維，并扭曲成螺旋狀。通過在末端施加小電流來加熱硅橡膠，這種人造肌肉就會發(fā)生卷曲，使人造肌肉的直徑變粗、長度收縮，從而拉起附著在底部的負(fù)載。
這種長時間的收縮，也可以通過將液體己烷輸送到卷曲的人造肌肉中實(shí)現(xiàn)。在測試中，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，即便使用微小的輸入電壓，也可以產(chǎn)生非常強(qiáng)的效果。以一根直徑僅0.4mm的人造肌肉束為例，能夠?qū)爰觼觯s1.9L）的水提升1.4 英寸（3.6 cm），而平均每厘米的輸入電壓僅0.172 V。換算得出，這一提升重量是其自重的 12600 倍。不僅如此，這些人造肌肉還可以承受高達(dá)60MPa的機(jī)械應(yīng)力，提供超過25%拉伸沖程，單位做功高達(dá)758 J/kg，這些數(shù)據(jù)是天然肌肉的18倍。
研究團(tuán)隊(duì)還開發(fā)了一種數(shù)學(xué)模型，以描述人造肌肉在不同參數(shù)下的性能，未來可用于設(shè)計具備特定應(yīng)用屬性的人造肌肉。研究人員表示，這些低成本、輕量級人造肌肉的應(yīng)用前景廣泛，可用于機(jī)器人、假肢、矯正器、人類輔助設(shè)備等諸多領(lǐng)域。有關(guān)這項(xiàng)研究的詳情，已經(jīng)發(fā)表在近日出版的Smart Materials and Structures期刊上，原標(biāo)題為Theory of the tensile actuation of fiber reinforced coiled muscles。
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