當黃瓜生長時，它會發芽，長出緊密卷曲的卷須，尋找支撐物，以便將植物向上生長。這確保了植物盡可能多地接收陽光。現在，麻省理工學院的研
當黃瓜生長時，它會發芽，長出緊密卷曲的卷須，尋找支撐物，以便將植物向上生長。這確保了植物盡可能多地接收陽光。現在，麻省理工學院的研究人員已經找到了一種方法來模仿植物卷繞和拉動機制來產生收縮纖維，這種纖維可以用作機器人、假肢或其他機械和生物醫學應用的人造肌肉。
雖然已經使用許多不同的方法來創建人造肌肉，包括液壓系統，伺服馬達，形狀記憶金屬和響應刺激的聚合物，但它們都具有其局限性，包括重量高或響應時間慢。相比之下，新的基于纖維的系統非常輕巧，可以非常快速地響應。近日，在《科學》雜志上報道了這些發現。
新纖維由麻省理工學院博士后Mehmet Kanik和麻省理工學院研究生SirmaÖrgüç開發，與教授Polina Anikeeva，Yoel Fink，Anantha Chandrakasan和C.CemTa?an以及其他五位研究人員合作，使用纖維拉伸技術將兩種不同的聚合物結合起來成一股纖維。
這一過程的關鍵是將兩種熱膨脹系數完全不同的材料結合在一起——這意味著它們在受熱時的膨脹率不同。這與許多恒溫器使用的原理相同，例如，使用雙金屬片作為測量溫度的方法。當連接的材料受熱時，想要膨脹得更快的那一面被另一種材料擋住了。因此，粘合材料卷曲起來，向膨脹速度較慢的一側彎曲。
使用兩種不同的聚合物粘合在一起，一種非常易拉伸的環狀共聚物彈性體和一種更硬的熱塑性聚乙烯，Kanik，Örgüç及其同事生產了一種纖維，當拉伸到其原始長度的幾倍時，自然形成一個緊密的線圈，非常像黃瓜產生的卷須。但是當研究人員第一次體驗它時，接下來發生的事情實際上是一個驚喜。 “有很多意外發現。”Anikeeva回憶道。
一旦Kanik第一次拿起盤繞的纖維，僅僅是手的溫暖就會使纖維更緊密地卷起來。根據這一觀察結果，他發現即使溫度稍微升高也會使線圈收緊，產生令人驚訝的強大拉力。然后，一旦溫度回落，光纖就恢復到原來的長度。在后來的測試中，該團隊表明，這種收縮和擴張的過程可能會重復10,000次“而且仍然很強勁。”Anikeeva說。
她說，長壽的原因之一是“一切都在非常溫和的條件下運行”，包括低活化溫度。只需1攝氏度的增加即可開始纖維收縮。
這些纖維可以跨越多種尺寸，從幾微米(百萬分之一米)到幾毫米(千分之一米)寬，并且可以容易地分批生產長達數百米。測試表明，單根纖維能夠承受高達自身重量650倍的載荷。對于單根纖維的這些實驗，Örgüç和Kanik開發了專門的小型化測試裝置。
當纖維受熱時發生的拉緊程度可以通過確定纖維的初始拉伸量來“編程”。這使得材料可以精確地調整到所需的力和觸發該力所需的溫度變化量。
纖維使用纖維拉伸系統制成，這使得可以將其他組分結合到纖維本身中。這使得將其他成分加入纖維本身成為可能。纖維拉伸是通過創建一個超大版本的材料，稱為預成型，然后加熱到特定的溫度，使材料變得粘稠。然后就可以像拉太妃糖一樣拉它，使纖維保持其內部結構，但只有預成型纖維寬度的一小部分。
出于測試目的，研究人員在纖維表面涂上了導電納米線網格。這些網格可以作為傳感器來顯示纖維所經歷或施加的確切張力。在未來，這些纖維還可以包括加熱元件，如光纖或電極，提供一種內部加熱的方式，而無需依賴任何外部熱源來激活“肌肉”的收縮。
這種纖維可以用作機器人手臂、腿中的致動器，以及假肢，其輕微的重量和快速的響應時間可以提供顯著優勢。
今天的一些假肢重達30磅(27斤)，其中大部分重量來自致動器，通常是氣動或液壓;因此，重量較輕的致動器可以使戴假肢的人更容易生活。這種纖維也可用于微小的生物醫學設備，例如通過進入動脈然后被激活的醫療機器人。Anikeeva表示，“我們的激活時間大約為幾十毫秒到幾秒，具體取決于尺寸。”
為了提供更大的力量來承受更重的負荷，纖維可以捆綁在一起，就像肌肉纖維捆綁在體內一樣。 該團隊成功測試了100根纖維。 通過纖維拉伸過程，傳感器也可以被植入纖維中，對它們遇到的情況(比如假肢)提供反饋。Örgüç說，將肌肉纖維與閉環反饋機制捆綁在一起，帶有閉環反饋機制的捆綁肌纖維可以應用于需要自動化和精確控制的機器人系統。
Kanik說，這種材料的可能性幾乎是無限的，因為幾乎任何具有不同熱膨脹率的材料的組合都可以起作用，留下了一個廣闊的領域來探索可能的組合。。 他補充說，這個新發現就像打開一個新窗口，同時看到“一堆其他窗戶”等待打開。
“這項工作的優勢來自其簡單性。”他說。
據報道，這些纖維的成本大約每米 6 美分，已經具備工業化規模量產的條件。
