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螺旋碳纤维制成人造肌肉

近日,伊利诺伊大学机械科学与工程系(MechSE)的研究人员开发出一种由碳纤维和橡胶制成的人造肌肉,能够承受12000倍于自身的重量。



研究人员从碳纤维这种强韧但质量极轻的材料着手,为了使其更易于发生形变,使用合适的硅橡胶(聚二甲基硅氧烷(PDMS)橡胶)填充碳纤维,并扭曲成螺旋状。通过在末端施加小电流来加热硅橡胶,这种人造肌肉就会发生卷曲,使人造肌肉的直径变粗、长度收缩,从而拉起附着在底部的负载。



这种长时间的收缩,也可以通过将液体己烷输送到卷曲的人造肌肉中实现。在测试中,团队发现,即便使用微小的输入电压,也可以产生非常强的效果。以一根直径仅0.4mm的人造肌肉束为例,能够将半加仑(约1.9L)的水提升1.4 英寸(3.6 cm),而平均每厘米的输入电压仅0.172 V。换算得出,这一提升重量是其自重的 12600 倍。不仅如此,这些人造肌肉还可以承受高达60MPa的机械应力,提供超过25%拉伸冲程,单位做功高达758 J/kg,这些数据是天然肌肉的18倍。



研究团队还开发了一种数学模型,以描述人造肌肉在不同参数下的性能,未来可用于设计具备特定应用属性的人造肌肉。研究人员表示,这些低成本、轻量级人造肌肉的应用前景广泛,可用于机器人、假肢、矫正器、人类辅助设备等诸多领域。有关这项研究的详情,已经发表在近日出版的Smart Materials and Structures期刊上,原标题为Theory of the tensile actuation of fiber reinforced coiled muscles。

(来源:SciTechDaily)

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