研究人员描述了他们的最新进展 称为鞘管人工肌肉或SRAM

在过去的15年里，德克萨斯大学达拉斯分校的研究人员及其国际同事利用从高科技碳纳米管(CNTs)到普通钓鱼线的材料，发明了几种强大，强大的人造肌肉。

在7月12日发表在“ 科学 ”杂志上的一项新研究中，研究人员描述了他们的最新进展，称为鞘管人工肌肉或SRAM。

该研究小组之前的肌肉是通过扭曲CNT纱线，聚合物钓鱼线或尼龙缝纫线制成的。通过将这些纤维扭曲到它们卷起的位置，研究人员产生的肌肉在加热时沿着它们的长度急剧收缩或致动，并在冷却时恢复到它们的初始长度。

为了形成新的肌肉，研究团队将聚合物涂层应用于加捻的CNT纱线，以及廉价的尼龙，丝绸和竹纱，在纱芯周围形成护套。

“在我们的新肌肉中，缠绕或扭曲的纱线周围的护套驱动致动并提供比我们以前的肌肉更高的每周期和功率密度，”该研究的通讯作者Ray Baughman博士说。 Robert A. Welch杰出化学主席兼UT达拉斯Alan G. MacDiarmid NanoTech研究所所长。

在他们的实验中，制作成品肌肉的关键步骤是将新涂覆的纱线加捻直至它们卷绕，同时护套材料仍然是湿的。

“如果你在护套干燥后插入扭曲或卷绕，护套会破裂，”鲍曼说。“优化护套的厚度也是非常重要的。如果它太厚，则芯部的加捻纱线将无法解开，因为护套将其固定到位。如果太薄，则解开纱线会导致护套破裂。“

该研究的主要作者和纳米技术研究所的研究科学家Jiuke Mu博士首先开发了鞘管人工肌肉的概念。在护套运行配置中，外部护套吸收能量并驱动肌肉的致动。

“在我们之前的扭曲和盘绕的肌肉中，我们将热能施加到整个肌肉，但只有纤维的外部扭曲部分正在做任何机械工作 - 中心部分做得很少，”穆说。“使用护套，输入能量可以更快速有效地转换为肌肉的机械能。

“为什么只需要加热纱线的外部部分来驱动整个纱线，为什么要消耗能量?” 穆说。“凭借我们新的肌肉，我们只需要将能量注入鞘内。”

Baughman说，许多材料可以用于护套，只要它们具有强度并且可以在各种环境变量(例如温度或湿度的变化)下进行尺寸变化。

当电化学操作时，由CNT鞘和尼龙核心组成的肌肉产生的平均收缩力是人体肌肉的40倍，是最高功率替代电化学肌肉的9倍。

“在我们之前的工作中，我们发现由碳纳米管制成的纱线可以制造出美妙的人造肌肉。这种纱线重量轻，但比同等长度和重量的人体肌肉更强壮，更强大，”Baughman说。

“但碳纳米管纱线非常昂贵，所以在这项新工作中，我们正走向不同的方向，”他说。“我们发现虽然我们可以使用碳纳米管作为鞘管人工肌肉的核心材料，但我们并不需要。我们证明了CNT纱线可以用廉价的商用纱线代替。”

他补充说，聚合物涂层工艺可以很容易地扩大规模用于商业生产。

“由于SRAM技术能够用更便宜的纱线替代CNT纱线，因此这些肌肉对智能结构非常有吸引力，例如机器人和舒适调节衣服，”Baughman说。

为了展示鞘管人工肌肉的消费者应用，研究人员将SRAM编织成一种在暴露于湿气时增加孔隙率的纺织品。他们还演示了由聚合物涂层尼龙线制成的SRAM，当暴露于增加的葡萄糖浓度时线性收缩。这种肌肉可用于挤压小袋以释放药物以抵消高血糖。