Het optrekken, een oefening die door de meesten wordt gevreesd, beantwoordt een fundamentele vraag:zijn uw spieren sterk genoeg om uw eigen lichaamsgewicht op te tillen?

Sommige Illinois-onderzoekers die aan kunstmatige spieren werken, zien resultaten waar zelfs de sterkste individuen jaloers op zouden zijn. het ontwerpen van spieren die tot 12 kunnen tillen, 600 keer hun eigen gewicht.

Universitair docent werktuigbouwkunde Sameh Tawfick, Beckman postdoctoraal onderzoeker Caterina Lamuta, en Simon Messelot publiceerden onlangs een studie over het ontwerpen van supersterke kunstmatige spieren in het tijdschrift Slimme materialen en structuren . De nieuwe spieren zijn gemaakt van met koolstofvezel versterkt siloxaanrubber en hebben een opgerolde geometrie.

Deze spieren kunnen niet alleen tot 12, 600 keer hun eigen gewicht, maar ondersteunt ook tot 60 MPa mechanische belasting, levert trekslagen van meer dan 25% en specifiek werk tot 758 J/kg. Deze hoeveelheid is 18 keer meer dan het specifieke werk dat natuurlijke spieren kunnen leveren. Bij elektrische bediening, de op koolstofvezel gebaseerde kunstmatige spieren vertonen uitstekende prestaties zonder een hoge ingangsspanning te vereisen:de auteurs toonden aan hoe een spierbundel met een diameter van 0,4 mm in staat is om een ​​halve gallon water met 1,4 inch op te tillen met slechts 0,172 V/cm aangelegde spanning.

"Het toepassingsgebied van deze goedkope en lichtgewicht kunstmatige spieren is erg breed en omvat verschillende gebieden zoals robotica, protheses, steunzolen, en hulpmiddelen voor mensen, " zei Lamuta. "Het wiskundige model dat we hebben voorgesteld, is een nuttig ontwerphulpmiddel om de prestaties van opgerolde kunstmatige spieren aan te passen aan de verschillende toepassingen. Verder, het model geeft een duidelijk inzicht in alle parameters die een belangrijke rol spelen in het bedieningsmechanisme, en dit stimuleert toekomstig onderzoek naar de ontwikkeling van nieuwe typologieën van vezelversterkte opgerolde spieren met verbeterde eigenschappen."

De kunstmatige spieren zelf zijn spiralen bestaande uit commerciële koolstofvezels en polydimethylsiloxaan (PDMS). Een kabel van koolstofvezels wordt in eerste instantie gedompeld in niet-uitgehard PDMS verdund met hexaan en vervolgens gedraaid met een eenvoudige boor om een ​​garen te creëren met een homogene vorm en een constante straal. Na de uitharding van de PDMS, het rechte composietgaren is sterk gedraaid totdat het volledig is opgerold.

"Opgerolde spieren werden onlangs uitgevonden met behulp van nylon draden, "Zei Tawfick. "Ze kunnen grote activeringsslagen uitoefenen, waardoor ze ongelooflijk nuttig zijn voor toepassingen in hulpmiddelen voor mensen:als ze maar veel sterker konden worden gemaakt."

Het team stelde zich ten doel koolstofvezels te transformeren, een zeer sterk lichtgewicht materiaal dat gemakkelijk in de handel verkrijgbaar is, in kunstmatige spieren.

"Om koolstofvezels te gebruiken, we moesten het mechanisme van samentrekking van opgerolde spieren begrijpen. Toen we de theorie eenmaal ontdekt hadden, we leerden koolstofvezels om te zetten in ultrasterke spieren. We hebben koolstofvezelkabels eenvoudig gevuld met het geschikte type siliconenrubber, en hun optreden was indrukwekkend, precies wat we voor ogen hadden, " zei Tawfick. Deze studie toont aan dat spiercontractie wordt veroorzaakt door een toename van de straal van het spiergaren als gevolg van thermische uitzetting of absorptie van oplosmiddelen van de siliconenvijlsel. "De spieren buigen wanneer het siliconenrubber de vezels plaatselijk uit elkaar duwt in het touw , door een spanning aan te leggen, warmte of zwelling door een oplosmiddel. De interne druk die wordt uitgeoefend door het siliconenrubber op de vezels zorgt ervoor dat de kabeldiameter uitzet en afrolt, waardoor een samentrekkingsslag over de lengte ontstaat."

Tijdens de experimentele karakterisering, een gelijkspanning werd aangebracht op de uiteinden van de spoel om de verwarming van de composiet te induceren en op zijn beurt trekactivering te veroorzaken. Het bovenste uiteinde van de spoel was vast, terwijl er een last aan de bodem was bevestigd om spanning te creëren. De trekslag werd vastgelegd door een filmcamera, en frame voor frame geanalyseerd. Trekactivering werd ook geïnduceerd door zwelling via vloeibaar hexaan dat aan de opgerolde spier werd afgeleverd.

Kunnen deze spieren nog meer buigen, grotere slagen bereiken? De nauwe overeenkomst tussen wiskundige voorspellingen en experimentele realisatie geeft vertrouwen bij het beantwoorden van deze vraag. Het team ontdekte dat de trekkracht van de kunstmatige opgerolde spieren kan worden beperkt door het vermogen van het gastmateriaal (siliconen) om uit te zetten - een limiet die wordt opgelegd door de thermische degradatie-eigenschappen van het gastmateriaal. Dit verklaart waarom spieren die worden geactiveerd door zwelling een hogere activeringsbelasting hebben, ze kunnen meer zwellen dan door warmte veroorzaakte spieren. Het door de auteurs voorgestelde theoretische model werpt licht op het ontwerpen van gastmateriaal waarmee spieren een nog indrukwekkendere prestatie kunnen leveren.