科學(xué)家造出強(qiáng)力肌肉 提起重物的能力超人類肌肉100倍
2014-02-25 來源:中國聚合物網(wǎng)
2月21日出版的《科學(xué)》雜志刊登了美國德克薩斯大學(xué)達(dá)拉斯分校科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的一個國際研究小組的研究論文,他們開發(fā)出一種能把普通釣魚線和縫紉線變成強(qiáng)力人造肌肉的廉價方法。與同樣長度、重量的人類肌肉相比,這種肌肉能提起的重量是人類肌肉的100多倍,產(chǎn)生的機(jī)械功率也達(dá)到100倍,每千克能產(chǎn)生7.1馬力的功率,與一架噴氣式飛機(jī)發(fā)動機(jī)的機(jī)械功率相當(dāng)。
研究人員把高強(qiáng)度的高分子聚合物釣魚線和縫紉線搓捻、盤繞在一起,縫紉線外面涂有一層金屬涂層,也可以直接用金屬絲和肌肉捻在一起,通電讓其產(chǎn)生溫差,這種人造肌肉就是靠溫差產(chǎn)生的冷熱改變而工作的。搓捻的聚合物纖維就像扭力肌肉,能使一個較重的轉(zhuǎn)輪達(dá)到每分鐘一萬轉(zhuǎn)。然后增加捻數(shù)直到聚合纖維卷得像一根緊扭的橡膠帶,這樣就成了一種能沿自身長度方向劇烈收縮的肌肉。溫度升高即加熱時能沿自身長度方向劇烈收縮,變冷后又會恢復(fù)到原來長度。如果盤繞方向和纖維最初的搓捻方向不同,就會反過來變成加熱擴(kuò)張、制冷收縮。
天然肌肉只能收縮自身長度的20%左右,而人造肌肉能收縮到50%,在重機(jī)械載荷情況下,肌肉收縮舒張循環(huán)可達(dá)百萬次。論文作者、該校納米技術(shù)研究所所長雷·鮑曼說,這些聚合物肌肉應(yīng)用前景廣闊,一個可能應(yīng)用領(lǐng)域就是超人力量,如機(jī)器人和外骨骼。把一束聚乙烯釣魚線搓捻在一起,總直徑只有人頭發(fā)的10 倍,而制成的聚合物肌肉能舉起16磅的重物,如果按照自然肌肉那樣組織,一百根這種肌肉就能舉起約0.8噸的重物。
反過來,獨(dú)立操作這種直徑不足一根頭發(fā)的盤繞聚合物肌肉,可以給人形機(jī)器人帶來面部表情,就像有生命似的;也能使實(shí)施侵入式微手術(shù)的機(jī)器人更加熟練靈敏。此外,它們還能給微型的“芯片實(shí)驗(yàn)室”充電,作為觸覺交流設(shè)備,把遠(yuǎn)方機(jī)器人手上傳感器感知的觸覺傳到人手上。
該人造肌肉還能利用環(huán)境溫差自行充電,可用在溫室或建筑物上,自動打開關(guān)閉窗戶,從而節(jié)約用電減少噪音。論文第一作者、鮑曼實(shí)驗(yàn)室材料科學(xué)與工程博士生卡特爾·海恩斯說:“根據(jù)聚合物肌肉的紡織紋理來看,上面的孔能隨著溫度變化可逆性地打開關(guān)閉。這也為將來造出舒適性可調(diào)服裝帶來了可能!
研究人員把高強(qiáng)度的高分子聚合物釣魚線和縫紉線搓捻、盤繞在一起,縫紉線外面涂有一層金屬涂層,也可以直接用金屬絲和肌肉捻在一起,通電讓其產(chǎn)生溫差,這種人造肌肉就是靠溫差產(chǎn)生的冷熱改變而工作的。搓捻的聚合物纖維就像扭力肌肉,能使一個較重的轉(zhuǎn)輪達(dá)到每分鐘一萬轉(zhuǎn)。然后增加捻數(shù)直到聚合纖維卷得像一根緊扭的橡膠帶,這樣就成了一種能沿自身長度方向劇烈收縮的肌肉。溫度升高即加熱時能沿自身長度方向劇烈收縮,變冷后又會恢復(fù)到原來長度。如果盤繞方向和纖維最初的搓捻方向不同,就會反過來變成加熱擴(kuò)張、制冷收縮。
天然肌肉只能收縮自身長度的20%左右,而人造肌肉能收縮到50%,在重機(jī)械載荷情況下,肌肉收縮舒張循環(huán)可達(dá)百萬次。論文作者、該校納米技術(shù)研究所所長雷·鮑曼說,這些聚合物肌肉應(yīng)用前景廣闊,一個可能應(yīng)用領(lǐng)域就是超人力量,如機(jī)器人和外骨骼。把一束聚乙烯釣魚線搓捻在一起,總直徑只有人頭發(fā)的10 倍,而制成的聚合物肌肉能舉起16磅的重物,如果按照自然肌肉那樣組織,一百根這種肌肉就能舉起約0.8噸的重物。
反過來,獨(dú)立操作這種直徑不足一根頭發(fā)的盤繞聚合物肌肉,可以給人形機(jī)器人帶來面部表情,就像有生命似的;也能使實(shí)施侵入式微手術(shù)的機(jī)器人更加熟練靈敏。此外,它們還能給微型的“芯片實(shí)驗(yàn)室”充電,作為觸覺交流設(shè)備,把遠(yuǎn)方機(jī)器人手上傳感器感知的觸覺傳到人手上。
該人造肌肉還能利用環(huán)境溫差自行充電,可用在溫室或建筑物上,自動打開關(guān)閉窗戶,從而節(jié)約用電減少噪音。論文第一作者、鮑曼實(shí)驗(yàn)室材料科學(xué)與工程博士生卡特爾·海恩斯說:“根據(jù)聚合物肌肉的紡織紋理來看,上面的孔能隨著溫度變化可逆性地打開關(guān)閉。這也為將來造出舒適性可調(diào)服裝帶來了可能!
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