In de afgelopen 15 jaar, onderzoekers van de Universiteit van Texas in Dallas en hun internationale collega's hebben verschillende soorten sterke, krachtige kunstmatige spieren met materialen variërend van hightech koolstofnanobuizen (CNT's) tot gewone vislijnen.

In een nieuwe studie gepubliceerd op 12 juli in het tijdschrift Wetenschap , beschrijven de onderzoekers hun laatste vooruitgang, zogenaamde sheath-run kunstmatige spieren, of SRAM's.

De vorige spieren van de onderzoeksgroep werden gemaakt door CNT-garen te draaien, polymeer vislijn of nylon naaigaren. Door deze vezels zo ver te draaien dat ze oprollen, de onderzoekers produceerden spieren die dramatisch samentrekken, of bedienen, over hun lengte bij verhitting en bij afkoeling terugkeren naar hun oorspronkelijke lengte.

Om de nieuwe spieren te vormen, het onderzoeksteam bracht een polymeercoating aan op gedraaide CNT-garens, evenals voor goedkoop nylon, zijde en bamboegarens, het creëren van een omhulsel rond de garenkern.

"In onze nieuwe spieren, het is de omhulling rond een opgerold of gedraaid garen dat de aandrijving aandrijft en een veel hogere werk-per-cyclus en vermogensdichtheid biedt dan voor onze vorige spieren, " zei dr. Ray Baughman, corresponderende auteur van de studie, de Robert A. Welch Distinguished Chair in Chemistry en directeur van het Alan G. MacDiarmid NanoTech Institute aan de UT Dallas.

In hun experimenten, een belangrijke stap bij het maken van de afgewerkte spieren was om de nieuw gecoate garens te draaien totdat ze oprollen, terwijl het omhulselmateriaal nog nat was.

"Als u twisting of coiling inbrengt nadat de huls is opgedroogd, de schede zal barsten, " zei Baughman. "Het optimaliseren van de dikte van de schede is ook erg belangrijk. Als het te dik is, het gedraaide garen in de kern kan niet losdraaien omdat de huls het op zijn plaats houdt. Als het te dun is, het losdraaien van het garen zal de schede doen barsten."

Dr. Jiuke Mu, hoofdauteur van de studie en een onderzoekswetenschapper bij het NanoTech Institute, ontwikkelde voor het eerst het concept van de door de schede geleide kunstmatige spier. In de omhulsel-run configuratie, de buitenmantel absorbeert energie en drijft de activering van de spier aan.

"In onze vorige gedraaide en opgerolde spieren, we pasten thermische energie toe op de hele spier, maar alleen de buitenste het gedraaide deel van de vezel deed enig mechanisch werk - het centrale deel deed weinig, "Zei Mu. "Met behulp van de schede, de ingangsenergie kan sneller en efficiënter worden omgezet in de mechanische energie van de spier.

"Waarom energie verbruiken door het hele garen te verwarmen, wanneer alles wat je nodig hebt is om het buitenste deel van het garen te verwarmen om het te activeren?' zei Mu. 'Met onze nieuwe spieren, we hoeven alleen maar energie in de schede te steken."

Baughman zei dat veel materialen kunnen worden gebruikt voor de schede, zolang ze sterkte hebben en dimensionale verandering kunnen ondergaan onder verschillende omgevingsvariabelen, zoals veranderingen in temperatuur of vochtigheid.

Bij elektrochemisch gebruik, een spier bestaande uit een CNT-omhulsel en een nylon kern genereerde een gemiddelde contractiele kracht die 40 keer die van menselijke spieren is en 9 keer die van de krachtigste alternatieve elektrochemische spier.

"In ons vorige werk, we hebben aangetoond dat garens gemaakt van koolstofnanobuisjes prachtige kunstmatige spieren vormen. Dergelijke garens zijn lichtgewicht, toch sterker en krachtiger zijn dan menselijke spieren van dezelfde lengte en hetzelfde gewicht, ' zei Baughman.

"Maar garen van koolstofnanobuisjes is erg duur, dus in dit nieuwe werk, we gaan een andere richting op, " zei hij. "We ontdekten dat hoewel we koolstofnanobuisjes kunnen gebruiken als het kernmateriaal voor kunstmatige spieren met omhulsel, wij hoeven niet. We hebben aangetoond dat CNT-garens kunnen worden vervangen door goedkope, in de handel verkrijgbare garens."

Hij voegde eraan toe dat het polymeercoatingproces gemakkelijk kan worden opgeschaald voor commerciële productie.

"Aangezien de SRAM-technologie de vervanging van CNT-garens door goedkopere garens mogelijk maakt, deze spieren zijn zeer aantrekkelijk voor intelligente structuren, zoals robotica en comfortabele kleding, ' zei Baughman.

Om mogelijke consumententoepassingen van omhulde kunstmatige spieren te demonstreren, de onderzoekers breiden SRAM's in een textiel dat de porositeit verhoogde bij blootstelling aan vocht. Ze demonstreerden ook een SRAM gemaakt van met polymeer gecoate nylondraad die lineair samentrekt bij blootstelling aan toenemende glucoseconcentratie. Deze spier kan worden gebruikt om in een zakje te knijpen om medicatie vrij te geven om een ​​hoge bloedsuikerspiegel tegen te gaan.