Sid Perkins

當(dāng)一根黃瓜開始生長時，它需要緊緊地盤繞卷須，為了尋找支撐力將植物向上拉伸。這樣也確保了植物盡可能地獲得最多的陽光照射。近日，麻省理工學(xué)院的科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了效仿這種“盤繞拉伸”的機(jī)制，將它用于制造出一種收縮纖維，用來制成機(jī)器人、假肢或其他生物醫(yī)學(xué)中的人造肌肉。

最近，麻省理工學(xué)院的博士后Mehmet Kanik等人共同研究發(fā)現(xiàn)了一種新型纖維物，運(yùn)用“纖維伸拉”技術(shù)將兩種不同的聚合物粘合成單根纖維?！盁崦浝淇s”是人們熟知的自然現(xiàn)象，而每種材料都有各自不同的熱膨脹系數(shù)——就是溫度平均每升高1個單位，長度的相對變化量。

這一過程的關(guān)鍵在于，將兩種不同熱膨脹系數(shù)的物質(zhì)融合在一起——這意味著當(dāng)溫度升高時，兩種物質(zhì)會產(chǎn)生不同的膨脹程度。這與多數(shù)恒溫控制器的原理相同，比如用一種雙金屬片在電路過載時感受溫度的變化， 進(jìn)而改變雙金屬片的彎曲程度，并控制接觸斷開的效果。當(dāng)兩種物質(zhì)溫度升高，其中一種膨脹更快的物質(zhì)會被另一種物質(zhì)抑制效果。因此，復(fù)合材料會卷起，向膨脹更慢的一方彎曲。

在兩種不同聚合物的共同彎曲下，Kanik與研究團(tuán)隊(duì)利用一種極易伸縮的閉環(huán)共聚彈性體和一種堅硬的熱塑性聚乙烯制造出一種纖維，當(dāng)它拉伸至大于自身長度的數(shù)倍長后，將自然形成為緊密的卷狀，類似于黃瓜產(chǎn)生的卷須。可是Anikeeva回憶說：“研究人員在初次實(shí)驗(yàn)后，出現(xiàn)了許多意料之外的新發(fā)現(xiàn)?！?/p>

當(dāng)Kanik 初次采用卷曲纖維時，僅靠他手上的溫度就能使纖維緊實(shí)地卷曲起來。 研究過后， kanik 還發(fā)現(xiàn)了即使溫度出現(xiàn)極小的變化也能讓卷曲效果更加明顯，產(chǎn)生意外的強(qiáng)力拉伸效果。研究人員表示：“拉長的原因之一，是因?yàn)樗幸磺胁僮鞫际窃谶m中的狀態(tài)下進(jìn)行的，其中也包括低激活溫度，僅升高1攝氏度就足使纖維發(fā)生拉伸效應(yīng)。”

為了測試單根纖維可承受的重量載荷，研究人員還設(shè)計了小型專用的測試裝置。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)顯示，單根纖維能夠承受超過自身重量650倍的載荷。此外，這種纖維可以拉伸至較大的尺寸范圍，寬度從幾微米到幾毫米寬，進(jìn)而可以分批生產(chǎn)出幾百米長的捆綁纖維。實(shí)驗(yàn)中所選用的聚合物材料的價格十分低廉，目前生產(chǎn)的人造肌肉纖維的成本大概是每米 6 美分。

通過纖維伸拉體系制成的纖維，這個過程中將粘合其他物質(zhì)，進(jìn)而制成超大尺寸的物質(zhì)，這一過程被稱作預(yù)制。接下來纖維在特定的溫度下被加熱，物質(zhì)變?yōu)檎承?，如同攪拌糖稀一樣。這樣的做法可以在纖維保持內(nèi)部結(jié)構(gòu)的狀態(tài)下，還能夠控制最終成型的尺寸。

更為難得的是，當(dāng)纖維受熱收縮時，研究人員通過對其長度的變化量與溫度升降程度進(jìn)行建模，初步得出一套相對精確的程序。借此就能夠準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)纖維中材料所需的拉伸力，以及引發(fā)拉伸力所需的溫度。這使得纖維在未來的應(yīng)用中更具有實(shí)用價值。

在綜合考慮拉伸溫度下兩種材料的粘度、能否滿足魯棒驅(qū)動等約束條件，經(jīng)過有限元分析，研究人員在實(shí)驗(yàn)中選擇采用 HDPE 和 COCe 兩種聚合物。纖維制造好后，如果將其拉伸至原始長度的數(shù)倍，它將自然地形成一個類似彈簧的線圈。研究人員Mehmet 認(rèn)為他們是開發(fā)了一個新的平臺，對于這項(xiàng)“人造肌肉”的研究更深刻且長遠(yuǎn)的意義，目前實(shí)驗(yàn)是依照不同熱膨脹系數(shù)的 HDPE 和 COCe 兩種聚合物而設(shè)計，但這只是一個基于纖維的“人造肌肉”框架?！斑@種制造方法的本質(zhì)，將使該領(lǐng)域的科研人員有無限的可能創(chuàng)造出多功能的人造肌肉裝置?！?/p>

研究人員表示，現(xiàn)在團(tuán)隊(duì)所使用的纖維拉伸技術(shù)已經(jīng)十分成熟，而且經(jīng)濟(jì)有效。他們對于這種“人造肌肉”纖維接受大規(guī)模的人造假肢和軟體機(jī)器人設(shè)備應(yīng)用的檢驗(yàn)充滿了信心。此外，大概成本只有每米 6 美分，已經(jīng)具備工業(yè)化規(guī)模量產(chǎn)的條件。

出于測試的目的，研究人員利用導(dǎo)電納米網(wǎng)覆蓋在纖維表面。這些導(dǎo)電納米網(wǎng)可作為傳感器，反應(yīng)出纖維所處的具體張力值。未來，這些纖維同樣可以融入加熱零件如光導(dǎo)纖維和電極， 從內(nèi)部提供加熱方式，而不用再依賴任何外部熱源刺激肌肉的伸縮。如此纖維可作為制動器，應(yīng)用于機(jī)器人手臂、腿及其他假肢中，輕量級和快速反應(yīng)能力是新型纖維最有利的競爭優(yōu)勢。

對于未來的研究方向，研究人員Mehmet 說：“在更大規(guī)模的應(yīng)用中，潛在的挑戰(zhàn)是拓展刺激源（溫度以外的條件），這樣可以通過對肌肉結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新來改進(jìn)。我們將嘗試建立各種不同的內(nèi)部刺激機(jī)制，包括電學(xué)、光學(xué)或電化學(xué)等?！?/p>

目前的假肢重量最多達(dá)到30磅，而其中大部分的重量來自于制動器，它們的材質(zhì)大多是充氣式或液壓式。所以，這種輕量級制動器將使假肢使用者的生活變得更為便捷。同時，研究人員Anikeeva認(rèn)為：“這種纖維也能應(yīng)用于微型的生物醫(yī)學(xué)設(shè)備，比如一個醫(yī)用機(jī)器人需要進(jìn)入血管中工作，并且被激活，它所需的激活時間大約在十幾毫秒到幾秒鐘。”

為了達(dá)到更大的載荷能力，纖維可以被捆綁起來作為肌肉纖維裝置在人體內(nèi)。現(xiàn)在，研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)成功實(shí)驗(yàn)捆綁100根纖維。通過纖維伸拉，傳感器也可以與纖維粘合在一起，在特定的情況下提供信息反饋。研究人員?rg¨??表示：“帶有閉環(huán)反饋機(jī)制的捆綁肌肉纖維可以應(yīng)用在自動精準(zhǔn)控制的機(jī)器人系統(tǒng)中?！?/p>

研究人員Kanik表示：“這類物質(zhì)具有無限的可能性，因?yàn)閹缀跞魏蝺煞N不同熱膨脹系數(shù)物質(zhì)的粘合都是可行的。這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)如同打開了一扇窗戶， 未來還有更多的窗戶等待我們?nèi)ゴ蜷_。”

編譯自《科學(xué)》雜志

（責(zé)任編輯 姜懿翀）