Gesundheit

Hüllen-Laufwerk, leistungsstarke neue künstliche Muskeln

In den letzten 15 Jahren, Forscher an Der University of Texas at Dallas und Ihre internationalen Kollegen erfunden haben mehrere Arten von starke, leistungsfähige künstliche Muskeln mit Materialien, angefangen von high-tech-carbon-nanotubes (Cnt) gewöhnliche Angelschnur.

In einer neuen Studie, veröffentlicht in Juli 12 in der Zeitschrift Science, die Forscher beschreiben Ihre neueste Entwicklung, genannt Mantel-run künstlichen Muskeln, oder SRAMs.

Die Forschungs-Gruppe der bisherigen Muskeln wurden durch verdrehen CNT-Garn, polymer-Angelschnur oder nylon sewing thread. Durch verdrehen dieser Fasern bis zu dem Punkt, dass Sie coil, die Forscher stellten Muskeln, die dramatisch Vertrag, oder betätigen Sie, entlang Ihrer Länge, wenn Sie erhitzt und wieder Ihre ursprüngliche Länge bei der Abkühlung.

Für die form der neuen Muskeln, die research-team wandte eine polymer-Beschichtung auf twisted-CNT-Garnen, sowie günstige nylon, Seide und Bambus Garne, erstellen Sie einen Mantel um das Garn Kern.

„In unserem neuen Muskeln, es ist der Mantel um eine aufgerollte oder verdrehtes Garn, die Laufwerke betätigung und bietet viel höhere Arbeit-pro-Zyklus-und Leistungsdichten als bei unseren vorherigen Muskeln“, sagte Dr. Ray Baughman, entsprechenden Autor der Studie, der Robert A. Welch Distinguished Chair in der Chemie und Direktor des Alan G. MacDiarmid NanoTech Institute an der UT Dallas.

In Ihren Experimenten ein wichtiger Schritt, dass das fertige Muskeln war, zu drehen, die neu beschichtete Garne, bis Sie die Spule, während der Mantel-material noch nass war.

„Wenn Sie einfügen, drehen oder wickeln, nachdem der Mantel getrocknet ist, die Hülle zu knacken,“, sagte Baughman. „Die Optimierung der Dicke des Mantels ist auch sehr wichtig. Wenn es zu dick ist, das verdrillte Garn im Kern nicht mehr aufdrehen, weil die Scheide hält es im Platz. Wenn es zu Dünn ist, der untwisting des Garns verursachen, die Hülle zu knacken.“

Dr. Jiuke Mu -, Blei-Autor der Studie und ein Wissenschaftler mit dem NanoTech-Institut, zuerst entwickelt das Konzept der Mantel-run künstlichen Muskel. In der Mantel-Konfiguration auszuführen, die außerhalb der Scheide nimmt die Energie auf und treibt die Ansteuerung der Muskeln.

„In unserer vorherigen verdreht und aufgewickelt Muskeln, wir die thermische Energie, um den gesamten Muskel, sondern nur den äußeren, gedrehten Teil der Faser wurde dabei keine mechanische Arbeit — der mittlere Teil war dabei wenig,“ Mu sagte. „Mit der Scheide, der Eingang Energie kann umgewandelt werden in die mechanische Energie der Muskeln, die mehr schnell und effizient.

„Warum verbrauchen Energie durch die Heizung das ganze Garn, wenn alles, was Sie brauchen, ist die Wärme der äußere Teil des Garns für ihn zu betätigen?“ Mu sagte. „Mit unserem neuen Muskeln, die wir nur noch Energie in die Scheide.“

Baughman, sagte, dass viele Materialien, die verwendet werden könnte für die Scheide, wie lange Sie die Kraft haben, und kann sich Maßänderung unter verschiedenen Umgebungs-Variablen, wie änderungen in der Temperatur oder Feuchtigkeit.

Bei betrieben elektrochemisch, ein Muskel, bestehend aus einem CNT-Mantel und einem nylon-Kern generiert eine Durchschnittliche kontraktile Kraft, die 40-fache der menschlichen Muskel-und 9-mal die höchste power alternative Elektrochemische Muskel -.

„In unserer früheren Arbeit haben wir gezeigt, dass die Garne aus Kohlenstoff-Nanoröhren machen wunderbare künstliche Muskeln. Solche Garne sind leicht, aber sind kräftiger und stärker als menschliche Muskeln, die die gleiche Länge und Gewicht“, sagte Baughman.

„Aber carbon nanotube Garn ist sehr teuer, so dass in dieser neuen Arbeit, wir gehen in eine andere Richtung“, sagte er. „Wir fanden, dass, während wir können auch kohlenstoffnanoröhren als Trägermaterial für Mantel-run künstliche Muskeln, die wir nicht haben. Wir haben gezeigt, dass die CNT-Garnen kann ersetzt werden durch kostengünstige, kommerziell erhältliche Garne.“

Er fügte hinzu, dass das polymer-coating-Verfahren könnte leicht vergrößert werden, für die kommerzielle Produktion.

„Da die SRAM-Technologie ermöglicht den Ersatz von CNT Garne mit billiger Garne, diese Muskeln sind sehr attraktiv für intelligente Strukturen, wie Robotik und Komfort-Anpassung der Kleidung,“, sagte Baughman.

Um zu demonstrieren, mögliche Anwendungen für Endverbraucher von Mantel-run künstliche Muskeln, die Forscher gestrickt SRAMs in einem Textil, dass eine erhöhte Porosität auf, wenn Feuchtigkeit ausgesetzt. Sie zeigten auch eine SRAM aus polymer-beschichtetem nylon-Faden-Linear-Verträge, wenn Sie ausgesetzt Erhöhung der glucose-Konzentration. Dieser Muskel kann verwendet werden, um squeeze einen Beutel zu release Medikamente entgegenwirken zu hohen Blutzucker.

Die Erfinder haben sich für eine vorläufige US-patent auf die Technologie.

Neben Baughman und Mu, UT Dallas NanoTech Institute-Forscher beteiligt an der Arbeit sind Dr. Monica Jung de Andrade, wissenschaftlicher Mitarbeiter; Dr. Shaoli Fang, associate research professor); und Dr. Shi Hyeong Kim, Postdoktorand. Auch die teilnehmenden wurden Hyun Kim, bioengineering Doktorand; Dr. Taylor Ware, assistant professor für bioengineering; und Dr. Dong Qian und Dr. Hongbing Lu, Professoren des Maschinenbaus.

Studie Autoren gehört auch Forscher von der Georgia Southern University; die University of Wollongong in Australien; Donghua University und Wuhan University in China; Die Hanyang-Universität in Südkorea; und das bioscience-Unternehmen MilliporeSigma.

Finanziert wurde die Forschung von mehreren Quellen: Air Force Office of Scientific Research, Office of Naval Research, der National Science Foundation, der Robert A. Welch Foundation, Australian Research Council, National Research Foundation of Korea, und der Science and Technology Commission of Shanghai Municipality.