UCLA materiaalwetenschappers en collega's van het non-profit wetenschappelijk onderzoeksinstituut SRI International hebben een nieuw materiaal en productieproces ontwikkeld voor het creëren van kunstmatige spieren die sterker en flexibeler zijn dan hun biologische tegenhangers.

"Het creëren van een kunstmatige spier om arbeid mogelijk te maken en kracht en aanraking te detecteren, was een van de grote uitdagingen van wetenschap en techniek", zegt Qibing Pei, een professor in materiaalkunde en techniek aan de UCLA Samueli School of Engineering en de corresponderende auteur van een onderzoek dat onlangs is gepubliceerd in Science .

Om een ​​zacht materiaal in aanmerking te laten komen voor gebruik als kunstmatige spier, moet het in staat zijn mechanische energie af te geven en levensvatbaar te blijven onder zware omstandigheden, wat betekent dat het niet gemakkelijk zijn vorm en kracht verliest na herhaalde werkcycli. Hoewel veel materialen worden beschouwd als kanshebbers voor het maken van kunstmatige spieren, zijn diëlektrische elastomeren (DE) - lichtgewicht materialen met een hoge elastische energiedichtheid - van bijzonder belang vanwege hun optimale flexibiliteit en taaiheid.

Diëlektrische elastomeren zijn elektroactieve polymeren, dit zijn natuurlijke of synthetische stoffen die zijn samengesteld uit grote moleculen die in grootte of vorm kunnen veranderen wanneer ze worden gestimuleerd door een elektrisch veld. Ze kunnen worden gebruikt als actuatoren, waardoor machines kunnen werken door elektrische energie om te zetten in mechanisch werk.

De meeste diëlektrische elastomeren zijn gemaakt van acryl of siliconen, maar beide materialen hebben nadelen. Hoewel traditionele acryl DE's een hoge activeringsbelasting kunnen bereiken, moeten ze vooraf worden uitgerekt en missen ze flexibiliteit. Siliconen zijn gemakkelijker te maken, maar ze kunnen niet tegen een hoge belasting.

Door gebruik te maken van in de handel verkrijgbare chemicaliën en met behulp van een uithardingsproces met ultraviolet (UV) licht, heeft het door de UCLA geleide onderzoeksteam een ​​verbeterd materiaal op acrylbasis gecreëerd dat buigzamer, afstembaarder en eenvoudiger te schalen is zonder zijn kracht en uithoudingsvermogen te verliezen. Terwijl het acrylzuur ervoor zorgt dat er meer waterstofbruggen kunnen worden gevormd, waardoor het materiaal beweeglijker wordt, pasten de onderzoekers ook de verknoping tussen polymeerketens aan, waardoor de elastomeren zachter en flexibeler werden. De resulterende dunne, verwerkbare, hoogwaardige diëlektrische elastomeerfilm, of PHDE, wordt vervolgens tussen twee elektroden geplaatst om elektrische energie in beweging om te zetten als een actuator.

Elke PHDE-film is zo dun en licht als een stuk mensenhaar, ongeveer 35 micrometer dik, en wanneer meerdere lagen op elkaar worden gestapeld, worden ze een miniatuur elektrische motor die kan werken als spierweefsel en genoeg energie kan produceren om beweging voor kleine robots of sensoren. De onderzoekers hebben stapels PHDE-films gemaakt variërend van vier tot vijftig lagen.

"Deze flexibele, veelzijdige en efficiënte actuator zou de poorten kunnen openen voor kunstmatige spieren in nieuwe generaties robots, of in sensoren en draagbare technologie die menselijke bewegingen en mogelijkheden nauwkeuriger kunnen nabootsen of zelfs verbeteren," zei Pei.

Kunstmatige spieren die zijn uitgerust met PHDE-actuatoren kunnen meer megapascals aan kracht genereren dan biologische spieren en ze vertonen ook drie tot tien keer meer flexibiliteit dan natuurlijke spieren.

Meerlagige zachte films worden meestal vervaardigd via een "nat" proces waarbij vloeibare hars wordt afgezet en uitgehard. Maar dat proces kan resulteren in ongelijke lagen, wat zorgt voor een slecht presterende actuator. Om deze reden zijn veel actuatoren tot nu toe alleen succesvol geweest met enkellaagse DE-films.

Het UCLA-onderzoek omvat een "droog" proces waarbij de films worden gelaagd met behulp van een mes en vervolgens UV-uitgehard om uit te harden, waardoor de lagen uniform worden. Dit verhoogt de energie-output van de actuator, zodat het apparaat complexere bewegingen kan ondersteunen.

Het vereenvoudigde proces, samen met de flexibele en duurzame aard van de PHDE, maakt de fabricage mogelijk van nieuwe zachte actuatoren die kunnen buigen om te springen, zoals spinnenpoten, of opwinden en ronddraaien. De onderzoekers toonden ook het vermogen van de PHDE-actuator aan om een ​​bal ter grootte van een erwt te gooien die 20 keer zwaarder is dan de PHDE-films. De actuator kan ook uitzetten en samentrekken als een diafragma wanneer een spanning wordt in- en uitgeschakeld, wat een glimp geeft van hoe kunstmatige spieren in de toekomst kunnen worden gebruikt.

De vooruitgang kan leiden tot zachte robots met verbeterde mobiliteit en uithoudingsvermogen, en nieuwe draagbare en haptische technologieën met tastzin. Het fabricageproces kan ook worden toegepast op andere zachte dunnefilmmaterialen voor toepassingen zoals microfluïdische technologieën, weefseltechnologie of microfabricage. + Verder verkennen

Een unimorf nanocomposiet diëlektrisch elastomeer voor grootschalige bediening