新材料带来更强壮灵活人造肌肉

发布时间:2022-07-12

美国科学家开发了一种新的材料和工艺,用于制造比生物肌肉更强壮、更灵活的人造肌肉。研究成果发表在最新一期《科学》杂志上。


加州大学洛杉矶分校(UCLA)工程学院研究人员称,创建人造肌肉来完成工作并检测力和触觉,一直是科学和工程界的巨大挑战之一。


在制造人造肌肉方面,虽然许多材料都很有竞争力,但具有高弹性的轻质介电弹性体(DE)因其柔韧性极佳而备受关注。大多数DE由丙烯酸或硅树脂制成,但这两种材料都有缺点。传统的丙烯酸DE可实现高驱动应变,但需要预拉伸且缺乏灵活性;有机硅更容易制造,但它们不能承受高应力。


UCLA研究团队利用市售化学品并采用紫外线光固化工艺,创造了一种改进的丙烯酸基材料,该材料更柔韧、可调节且更易于扩展,且没有损失其强度和耐用性。丙烯酸能形成更多的氢键,从而使材料更容易变形,但研究人员调整了聚合物链之间的交联,使弹性体更柔软、更灵活。然后将得到的薄薄的、可加工的高性能介电弹性体薄膜(PHDE)夹在两个电极之间,以将电能转换为致动器的动能。


每张PHDE薄膜都像一根头发一样轻薄,大约35微米厚,当多层堆叠在一起时,它们就变成了一个微型电动机,可像肌肉组织一样发挥作用,并产生足够的能量来为机器人或传感器的运动提供动力。研究人员已制作出4—50层不等的PHDE薄膜堆叠。


配备PHDE致动器的人造肌肉可产生比生物肌肉更多的动力,柔韧性也比自然肌肉高3—10倍。


UCLA的研究利用了“干法”工艺。该工艺用刀片将薄膜分层,然后进行紫外线固化硬化,使各层均匀。这增加了致动器的能量输出,使设备可支持更复杂的运动。


这种简化的过程,以及PHDE的灵活和耐用特性,允许制造出新型柔性致动器,其可像蜘蛛腿般弯曲跳跃,亦可缠绕和旋转。研究人员还展示了PHDE致动器能够投掷比薄膜本身重20倍的豌豆大小的球。当电压打开和关闭时,致动器还可像隔膜一样膨胀和收缩。


来源:科学网

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