שרירים חזקים סיבי פחמן מלאכותי יכול להרים 12,600 פעמים המשקל שלהם

אתה לא גודל בשרירים? - הכל על סיבי שריר לבנים ואדומים (יולי 2019).

Anonim

התרגיל, תרגיל שמפחיד ביותר, עונה על שאלה בסיסית: האם השרירים חזקים מספיק כדי להרים את משקל הגוף?

כמה חוקרים מאילינוי שעובדים על שרירים מלאכותיים רואים תוצאות אפילו האנשים החזקים ביותר היו מקנאים, עיצוב השרירים המסוגלים להרים עד 12, 600 פעמים משקל שלהם.

עוזר פרופסור למדע מכני והנדסה סמה תאופיק, בקמן פוסט-דוקטורט קתרינה למוטה וסימון מסלוט פירסמו לאחרונה מחקר על איך לעצב שרירים מלאכותיים חזקים וחזקים בחוברת " חומרים חכמים ומבנים". השרירים החדשים עשויים סיבי פחמן מחוזק גומי siloxane ויש להם גיאומטריה מפותלת.

שרירים אלה מסוגלים לא רק להעלות עד 12, 600 פעמים המשקל שלהם, אלא גם תמיכה עד 60 מגפ"ס של מתח מכני, מתן משיכות מתיחה גבוה מ 25% עבודה ספציפית של עד 758 J / ק"ג. סכום זה הוא 18 פעמים יותר מאשר עבודה ספציפית השרירים הטבעיים מסוגלים לייצר. כאשר מופעלים חשמלית, השרירים המבוססים על סיבי פחמן מציגים ביצועים מצוינים ללא צורך במתח כניסה גבוה: המחברים הראו כיצד צרור שריר בקוטר 0.4 מ"מ יכול להרים חצי גלון מים ב -1.4 אינץ 'עם רק 0.172 V / cm מתח.

"טווח היישומים של אותם שרירים מלאכותיים בעלי משקל נמוך ומשקל קל הוא רחב מאוד וכולל תחומים שונים כגון רובוטיקה, תותבות, אורתוטיקה ומכשירים מסייעים לבני אדם", אמר למוטה. "המודל המתמטי שהצענו הוא כלי תכנון שימושי כדי להתאים את הביצועים של שרירים מלאכותיים מפותלים על פי היישומים השונים, כמו כן, המודל מספק הבנה ברורה של כל הפרמטרים שממלאים תפקיד חשוב במנגנון האקטואציה, וזה מעודד מחקר עתידי פועל לקראת פיתוח טיפולוגיות חדשות של שרירי סיבים מחוזקים בסיבים עם תכונות משופרות. "

השרירים המלאכותיים עצמם הם סלילים המורכבים מסיבי פחמן מסחריים ו polydimethylsiloxane (PDMS). סיבי פחמן גרירה הוא טבל בתחילה לתוך PDMS לא מאובטחת דילול עם הקסאן ולאחר מכן מעוות עם תרגיל פשוט ליצור חוט עם צורה הומוגנית רדיוס קבוע. לאחר ריפוי של PDMS, חוט מרוכב ישר מעוות מאוד עד שהוא מפותל במלואו.

"שרירים מפותלים הומצאו לאחרונה באמצעות חוטים ניילון", אמר Tawfick. "הם יכולים להפעיל שבץ actuation גדול, מה שהופך אותם שימושי להפליא עבור יישומים במכשירים אנושיים מסייעת: אם רק הם יכולים להיות הרבה יותר חזק."

הצוות קבע יעד של הפיכת סיבי פחמן, חומר קל מאוד חזק אשר זמין מסחרית בקלות, לתוך שרירים מלאכותיים.

"כדי להשתמש בסיבי פחמן, היינו צריכים להבין את המנגנון של התכווצות שרירים מפותלים.כאשר חשפנו את התיאוריה, למדנו איך להפוך סיבי פחמן לשרירים חזקים במיוחד.פשוט מילאנו את סיבי פחמן עם סוג מתאים של גומי סיליקון, והביצועים שלהם היו מרשימים, למה בדיוק התכוונו ", אמר תופיק. מחקר זה מוכיח כי התכווצות שרירים נגרמת על ידי עלייה ברדיוס של שריר חוט עקב התפשטות תרמית או קליטה ממס של סיליקון תיוק. "השרירים מתכופפים כאשר גומי הסיליקון דוחף את הסיבים באופן מקומי בתוך הגרירה, על ידי החלת מתח, חום או נפיחות על ידי ממס, הלחץ הפנימי המופעל מגומי הסיליקון על גבי הסיבים גורם לקוטר הגרירה להתרחב ולגרם לצמצום שבץ לאורך הדרך ".

במהלך אפיון הניסוי, מתח DC הוחל על הקצוות של סליל כדי לגרום לחימום של מרוכבים בתורו לגרום actuation מתיחה. הקצה העליון של הסליל תוקן, בעוד עומס היה מחובר לתחתית כדי ליצור מתח. שבץ מתיחה נתפס על ידי מצלמת הסרט, ונותחו מסגרת לפי מסגרת. אקטואציה מתיחה היה גם המושרה באמצעות נפיחות באמצעות הקסאן נוזלי נמסר לשריר מפותל.

האם השרירים האלה יכולים להגמיש עוד יותר, ולהשיג שבץ גדול יותר? ההסכם ההדוק בין תחזיות מתמטיות לבין מימוש ניסיוני מספק אמון בתשובה לשאלה זו. הצוות מצא כי actuation מתיחה של השרירים מפותל מלאכותי יכול להיות מוגבל על ידי היכולת של החומר האורח (סיליקון) להרחיב - גבול שהוטלו על ידי השפלה השפלה המאפיינים של החומר האורח. זה מסביר מדוע השרירים actuated על ידי נפיחות יש זנים actuation גבוה, הם מסוגלים להתנפח יותר שרירים המושרה בחום. המודל התיאורטי המוצע על ידי המחברים שופך אור על איך לעצב חומר אורח שיכול לאפשר לשרירים בביצועים מרשימים עוד יותר.

menu
menu