Silné umělé svaly z uhlíkových vláken mohou zvednout 12 600 krát svou vlastní váhu

ДОКЛАД ИСКОННАЯ ФИЗИКА АЛЛАТРА. ВИДЕО-ВЕРСИЯ. ALLATRA SCIENCE (Smět 2019).

Anonim

Vytahování, cvičení, které se většinou bojí, odpovídá na základní otázku: jsou vaše svaly dostatečně silné, aby zvedly svou vlastní tělesnou hmotnost?

Někteří vědci z Illinois, kteří pracují na umělých svalech, vidí výsledky, dokonce i ty nejchytřejší jedinci budou závislí, navržení svalů schopných zvednout až 12, 600 násobek své vlastní hmotnosti.

Asistent profesora mechanických věd a inženýrství Sameh Tawfick, postdoktorka Beckman Caterina Lamuta a Simon Messelot nedávno zveřejnili studii o tom, jak navrhnout super silné umělé svaly v časopise Smart Materials and Structures. Nové svaly jsou vyrobeny z siloxanové pryže vyztužené uhlíkovými vlákny a mají zvinutou geometrii.

Tyto svaly dokáží nejen zvednout až 12 600 krát svou vlastní váhu, ale také podporovat až 60 MPa mechanického namáhání, poskytující tahové zdvihy vyšší než 25% a specifické práce až do 758 J / kg. Tato částka je 18krát více než specifická práce, kterou jsou přirozené svaly schopné produkovat. Při elektricky ovládaných umělých svalech na bázi uhlíkových vláken vykazují vynikající výkon bez nutnosti vysokého vstupního napětí: autoři ukázali, jak svazek svazků o průměru 0, 4 mm dokáže zvednout půl galonu vody o 1, 4 palce při použití pouze 0, 172 V / cm Napětí.

"Rozsah aplikací těchto nízkonákladových a lehkých umělých svalů je opravdu široký a zahrnuje různé oblasti, jako je robotika, protetika, ortézy a lidské pomocné prostředky, " řekl Lamuta. "Matematický model, který jsme navrhli, je užitečným konstrukčním nástrojem pro přizpůsobení výkonnosti navinutých umělých svalů podle různých aplikací. Model dále poskytuje jasné pochopení všech parametrů, které hrají důležitou roli v mechanismu aktivace, což povzbuzuje budoucí výzkum směřuje k vývoji nových typologií navinutých vláken s navinutými vlastnostmi. "

Umělé svaly samotné jsou cívky složené z komerčních uhlíkových vláken a polydimethylsiloxanu (PDMS). Vlákno z uhlíkových vláken se nejdříve ponoří do nevytvrzeného PDMS zředěného hexanem a pak se zkroutí jednoduchým vrtákem, aby se vytvořila příze s homogenním tvarem a konstantním poloměrem. Po vytvrzení PDMS je rovná složená příze velmi zkroucená, dokud není plně navíjena.

"Navlékané svaly byly vynalezeny nedávno pomocí nylonových nití, " řekl Tawfick. "Mohou vyvíjet velké ovladače, což je neuvěřitelně užitečné pro aplikace v lidských podpůrných zařízeních: kdyby se mohly jen zvýšit."

Tým stanovil cíl transformovat uhlíková vlákna, velmi silný lehký materiál, který je snadno dostupný na trhu, do umělých svalů.

"Abychom mohli použít uhlíková vlákna, museli jsme pochopit mechanismus kontrakce svinutých svalů.Jakmile jsme odhalili teorii, zjistili jsme, jak přeměnit uhlíková vlákna na ultra silné svaly.Naše jsme naplnili uhlíkové vlákno s vhodným typem silikonového kaučuku, a jejich výkon byl působivý, přesně to, na co jsme se zaměřili, "řekl Tawfick. Tato studie demonstruje, že svalová kontrakce je způsobena zvýšením poloměru svalové příze v důsledku tepelné expanze nebo absorpce silikonu v rozpouštědle. "Svaly se ohebnou, když se silikonový kaučuk místně tlačí vlákna od sebe uvnitř vleku, působením napětí, tepla nebo otoku rozpouštědlem. Vnitřní tlak vyvíjený ze silikonového kaučuku na vlákna činí roztahování a odvíjení průměru kabelu způsobujícího kontrakci úder po délce. "

Během experimentální charakteristiky se na konce cívky aplikovalo stejnosměrné napětí, které indukuje ohřev kompozitu a naopak způsobuje zatížení v tahu. Horní konec cívky byl pevně připevněn, zatímco na dno bylo připevněno zatížení pro vytvoření napětí. Tahový zdvih byl zachycen videokamerou a analyzován rámcem po snímku. Aktivování v tahu bylo také vyvoláno bobtnáním kapalným hexanem přiváděným do stočeného svalu.

Mohou tyto svaly ještě více ohnout, dosahovat větší mrtvice? Úzká shoda mezi matematickými předpovědami a experimentální realizací poskytuje důvěru v odpověď na tuto otázku. Tým zjistil, že tahové působení umělých stočených svalů může být omezeno schopností hostujícího materiálu (silikonu) expandovat - omezením způsobeným tepelnými degradačními vlastnostmi hostovaného materiálu. To vysvětluje, proč svaly ovládané otokem mají vyšší aktivační kmeny, jsou schopné bobtnat více než svaly vyvolané teplem. Teoretický model navržený autory vrhá světlo na to, jak navrhnout materiál pro hosty, který by mohl umožnit svalům s ještě působivějším výkonem.

menu
menu