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麻省理工学院团队打造“人造肌肉”:每米成本约6美分 有望量产

人造肌肉纤维单根纤维可承受自身重量650 倍的载荷,而且大概成本是每米6 美分,已经具备工业化规模量产的条件。

人造肌肉”研究获得重大突破。来自麻省理工学院(MIT)的研究团队利用“热胀冷缩”的原理,制造出了一种人造肌肉纤维,其单根纤维可承受自身重量650 倍的载荷,而且大概成本是每米6 美分,已经具备工业化规模量产的条件。

该研究由MIT 博士后Mehmet Kanik 和研究生Sirma Orguc 联合其他9 人共同完成,同时也登上了Science 最新一期的封面。

“热胀冷缩”是人们耳熟能详的自然现象,火车道上每段铁轨之间留有的空隙就是为了应对冬夏长度的变化,而每种材料都有各自不同的热膨胀系数(即温度平均每升高1个单位,长度的相对变化量)。

生活中的许多场景都应用到此,“跳闸”大家应该都很熟悉,而热继电器过载保护的原理就是依靠拥有不同热膨胀系数的“双金属片”在电路过载时感受温度的变化,进而改变两片金属的弯曲程度以达到控制接触断开的效果。

MIT 团队发现,使用两种不同的聚合物粘合成一种纤维,随着温度的升高,膨胀更快的那种材料就会被对面绑定的“伙伴”阻止,这样就导致粘合材料会朝向膨胀较慢的一侧弯曲。这种不对称的收缩会引起纤维向相反的方向卷曲,这就形成了一个类似弹簧的结构,而研究人员发现其可以提供非常强大的拉力。

这将对机器人智能假肢等机械装置,以及生物医疗等应用场景提供极大帮助,开创了一种新模式“人造肌肉”。

图| 论文的两位第一作者:Mehmet Kanik(右)和Sirma Orguc(来源:Mehmet Kanik)

制造工艺简单实用

Mehmet 团队的灵感来源于黄瓜卷须

早在1865 年,达尔文就根据对黄瓜卷须的观察,推测黄瓜卷须的盘旋运动能够形成一个弹簧状物,而且他注意到,这种弹簧不像一个典型的弹簧只朝一个方向盘旋,黄瓜的卷须会从系链的末端开始朝着相反的方向开始盘旋。这样当受到来自另一边的牵引力时,黄瓜卷须的纤维不会像一个普通的弹簧那样打开,而是缠绕得更加紧密。

因此Mehmet 团队推测,由弹性体和热塑性聚合物组成的聚合物双晶结构内的热膨胀差异,在低热度条件刺激下可满足线性驱动。为了控制生产纤维的长度和横向尺寸,他们采用了可伸缩的纤维拉伸技术

这种技术是通过将一个预制作的大尺寸材料加热到一定温度,让材料变得粘稠,然后就可以像“吹糖人”一样将纤维拉出。这种既可以保证纤维内部两片不同材料的结构,还可以控制最终成型的尺寸。

在综合考虑拉伸温度下两种材料的粘度、能否满足鲁棒驱动等约束条件,经过有限元分析,Mehmet 在实验中选择采用HDPE COCe 两种聚合物。

图| A.“双晶纤维”的两个热拉伸制备阶段。B.约60 米采用有机玻璃封装的“双晶纤维”。C.有机玻璃外皮去除掉的内部分层示意图。D.纤维冷拉伸前后的横断面扫描电镜(SEM)图像,插图为拉伸后的COCe 结构。(来源:Mehmet Kanik)

纤维制造好后,如果将其拉伸至原始长度的数倍,它将自然地形成一个类似弹簧的线圈,和座机的电话线十分相似。

图| 微观测下的“人造肌肉”纤维(来源:Mehmet Kanik)

力量大、可控且耐用

与传统机器人等机械设备的驱动方式不同,Mehmet 团队这项研究的目的就是要取代传统液压、气动等驱动方式。而使这种新型“人造肌肉”纤维起到拉伸作用的“外力”正是温度,其原理上文已经给予介绍。

Mehmet 团队生产的这种纤维,温度只要在很细微的区间内变化,其结构就会敏感地反应、收紧,同时产生的拉力也十分强大。而在温度下降后,纤维会很快恢复到初始长度

图| 温度升高14℃ 时,纤维的长度变化——近乎收缩了一半(来源:Mehmet Kanik)

同时,为了测量单根纤维可以承受的重量载荷,Mehmet 设计了一个专门的测试装置。经过多次试验,他们发现单根纤维可以承受约自身重量650 倍的载荷。而且,Mehmet 告诉DeepTech,他们现在已经证明了通过捆绑纤维,可以进一步增加其载重能力;同时,该纤维的收缩并不需要温度有剧烈的变化,对温和温度范围内的起伏就很敏感

更为难得的是,当纤维受热收缩时,Mehmet 通过对其长度的变化量与温度升降程度进行建模,初步得出一套相对精确的程序,它可以帮助计算在需要一定力的条件时,应提供多大程度的温度变化。这让该研究在未来应用角度上更具有实用价值。

作为驱动设备,材料的耐久度是必须要考虑的。为了让测试更加直观,Mehmet 将纤维和零件拟人化地组装成一个“锻炼肱二头肌的手臂”。通过纤维的拉伸,不断地提放机械手臂上的“哑铃”。经过测试,该纤维可以满足超过1万次的“锻炼过程”,并且强度没有下降。

图| 耐久性测试的“肱二头肌锻炼”设备(来源:Mehmet Kanik)

量产问题,及其带来的无限可能

关于生产成本和能否量产的问题,Mehmet 告诉DeepTech:“我们团队所使用的纤维拉伸技术目前已经十分成熟,并且经济有效。同时,实验中所选用的聚合物材料的价格也很低廉,目前生产的人造肌肉纤维大概成本是每米6 美分(0.06 美元,约为人民币4 角钱)。”

图| Mehmet 展示1 米长的“人造肌肉”纤维,这段材料的成本大概是6 美分(来源:Mehmet Kanik)

Mehmet 表示,这项技术已经做好了工业化规模量产的准备。

同时,他还表示Science 的文章只是展示了纤维设计的原理和一些基本应用的证明。但随着团队研究的不断进展,到目前为止,他们已经可以通过捆绑纤维来增加其负重载荷。简而言之,他们对这种“人造肌肉”纤维接受大规模人造假肢软体机器人设备应用的检验充满了信心。

对于未来的研究方向,Mehmet 说:“在更大规模的应用中,潜在的挑战是拓展刺激源(温度以外的条件),这可以通过对肌肉结构的创新来改进。我们将尝试建立一个不同的内部刺激机制,包括电学光学电化学等。”

对于这项“人造肌肉”的研究更深刻且长远的意义,Mehmet 认为他们是开发了一个新的平台,目前实验是根据不同热膨胀系数的HDPE 和COCe 两种聚合物在设计,但这只是一个基于纤维的“人造肌肉”框架。

这种制造方法的本质,将使我们(该领域的科研人员)有无限的可能创造出多功能的人造肌肉装置。”Mehmet 如是说。‍

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