碳纤维人造肌肉升降12,600倍重量

缩放碳纤维增强的卷曲肌，直径为0.4mm。

上拉，大多数人都可怕的练习，答案是一个基本问题：你的肌肉足以振作自己的体重吗？

一些伊利诺伊州研究人工肌肉的研究人员正在看到结果，即使是最适合的辛辛利，也可以羡慕，设计肌肉，能够举起重量的12,600次。

MECHSE助理教授SEADH Tawfick，Beckman Postdoctoral Caterina Lamuta和Simon Messelot最近发表了关于如何在智能材料和结构中设计超强人工肌肉的研究。新的肌肉由碳纤维增强硅氧烷橡胶制成并具有卷绕几何形状。这些肌肉不仅能够举起高达6,600次的重量，还可以支持高达60 MPa的机械应力，从而提供高于25％的拉伸冲程和高达758J / kg的特定工作。该数量比特定工作的天然肌肉多18倍能够生产。当电动时，基于碳纤维的人工肌肉在不需要高输入电压的情况下表现出优异的性能：作者展示了0.4毫米直径的肌肉束如何将半加仑水升至1.4英寸，仅施加0.172伏/毫升电压。

Echse Assistant Profidentors Scomeh Tawfick，Beckman Postdoctoral Caterina Lamuta和Simon Messelot最近发表了关于如何在智能材料和结构中设计超强人工肌肉的研究。新的肌肉由碳纤维增强硅氧烷橡胶制成并具有卷绕几何形状。这些肌肉不仅能够举起高达6,600次的重量，还可以支持高达60 MPa的机械应力，从而提供高于25％的拉伸冲程和高达758J / kg的特定工作。

“这些低成本和轻量级人工肌肉的应用范围非常宽，涉及不同领域，如机器人，假肢，矫形器和人类辅助装置，”Lamuta说。“我们提出的数学模型是一种有用的设计工具，可根据不同的应用来定制盘绕人工肌肉的性能。此外，该模型可以清楚地了解在致动机制中发挥着重要作用的所有参数，这鼓励未来的研究旨在开发具有增强性质的纤维增强卷材肌肉的新类型。“

人造肌肉本身是由商业碳纤维和聚二甲基硅氧烷（PDMS）组成的线圈。最初将碳纤维丝束浸入用己烷稀释的未固化PDMS中，然后用简单的钻头绞合以产生具有均匀形状和恒定半径的纱线。在固化PDM后，直线复合纱线高度扭曲，直至其完全盘绕。

“最近使用尼龙线发明了盘绕的肌肉，”Tawfick说。“他们可以发挥大型动浪冲程，这使得它们对人类辅助设备中的应用程序非常有用：只有它们可以变得更强大。”

该团队设定了转化碳纤维的目标，这是一种非常强的轻质材料，易于商业地商购，进入人造肌肉。

“使用碳纤维，我们必须了解卷曲肌肉收缩的机制。一旦我们发现了理论，我们就学会了如何将碳纤维转化为超强肌肉。我们简单地用了合适类型的硅橡胶填充了碳纤维丝束，它们的性能令人印象深刻，正是我们旨在的目标，“Tawfick说。本研究表明，由于硅氧烷归档的热膨胀或溶剂吸收，肌纱的半径增加是由于肌肉纱线的半径增加而引起的。“当硅橡胶局部将纤维在丝束内推动纤维时，肌肉弯曲，通过施加电压，加热或溶剂，通过溶剂施加电压。从硅橡胶上施加到纤维上的内部压力使得牵引直径膨胀和沿着长度的收缩冲程。“

在实验表征期间，将DC电压施加到线圈的端部，以诱导复合材料的加热，并且又引起拉伸致动。线圈的顶端固定，同时将负载连接到底部以产生张力。拉伸行程由电影摄像机捕获，并通过帧分析框架。通过液态己烷膨胀，还通过膨胀诱导拉伸致动诱导。

这些肌肉可以屈服，达到更大的笔触吗？数学预测与实验实现之间的密切一致为回答这个问题提供信心。该团队发现人造卷曲肌的拉伸致动可以受到客体材料（硅胶）扩展的能力的限制 - 通过旨器材料的热降解性能施加的极限。这解释了为什么通过肿胀驱动的肌肉具有更高的致动菌株，它们能够比热诱导的肌肉更膨胀。作者提出的理论模型揭示了如何设计旨在使肌肉具有更令人印象深刻的肌肉的材料。

出版物：Caterina Lamuta等人，“纤维增强卷绕肌的拉伸致动理论”，智能材料和结构，2018; DOI：10.1088 / 1361-665x / aab52b