Zoals een komkommerplant groeit, het ontkiemt strak opgerolde ranken die steun zoeken om de plant omhoog te trekken. Dit zorgt ervoor dat de plant zoveel mogelijk zonlicht krijgt. Nutsvoorzieningen, onderzoekers van MIT hebben een manier gevonden om dit oprol-en-trekmechanisme te imiteren om samentrekkende vezels te produceren die kunnen worden gebruikt als kunstmatige spieren voor robots, prothetische ledematen, of andere mechanische en biomedische toepassingen.

Hoewel er veel verschillende benaderingen zijn gebruikt voor het creëren van kunstmatige spieren, inclusief hydraulische systemen, servomotoren, vormgeheugen metalen, en polymeren die reageren op prikkels, ze hebben allemaal beperkingen, inclusief hoog gewicht of trage responstijden. Het nieuwe op vezels gebaseerde systeem, daarentegen, is extreem licht en kan zeer snel reageren, zeggen de onderzoekers. De bevindingen worden vandaag gerapporteerd in het tijdschrift Wetenschap .

De nieuwe vezels zijn ontwikkeld door MIT-postdoc Mehmet Kanik en MIT-afgestudeerde student Sirma Örgüç, werken met professoren Polina Anikeeva, Yoel Fink, Anantha Chandrakasan, en C. Cem Tasan, en vijf anderen, met behulp van een vezeltrektechniek om twee ongelijke polymeren te combineren tot een enkele vezelstreng.

De sleutel tot het proces is het aan elkaar koppelen van twee materialen die zeer verschillende thermische uitzettingscoëfficiënten hebben, wat betekent dat ze verschillende uitzettingssnelheden hebben wanneer ze worden verwarmd. Dit is hetzelfde principe dat in veel thermostaten wordt gebruikt, bijvoorbeeld, met behulp van een bimetalen strip als een manier om de temperatuur te meten. Naarmate het samengevoegde materiaal opwarmt, de kant die sneller wil uitzetten wordt tegengehouden door het andere materiaal. Als resultaat, het gebonden materiaal krult op, buigen naar de kant die langzamer uitzet.

Met behulp van twee verschillende polymeren aan elkaar gebonden, een zeer rekbaar cyclisch copolymeer elastomeer en een veel stijver thermoplastisch polyethyleen, Kanik, Örgüç en collega's produceerden een vezel die, wanneer uitgerekt tot meerdere keren de oorspronkelijke lengte, vormt zich van nature tot een strakke spoel, zeer vergelijkbaar met de ranken die komkommers produceren. Maar wat er daarna gebeurde, kwam eigenlijk als een verrassing toen de onderzoekers het voor het eerst meemaakten. "Er zat veel serendipiteit in, " herinnert Anikeeva zich.

Zodra Kanik de opgerolde vezel voor het eerst oppakte, alleen al de warmte van zijn hand zorgde ervoor dat de vezel strakker opkrulde. Naar aanleiding van die observatie, hij ontdekte dat zelfs een kleine temperatuurstijging de spoel strakker kon maken, waardoor een verrassend sterke trekkracht ontstaat. Vervolgens, zodra de temperatuur weer daalde, de vezel keerde terug naar zijn oorspronkelijke lengte. Bij latere testen, het team toonde aan dat dit proces van samentrekken en uitzetten herhaald kon worden 10, 000 keer "en het ging nog steeds goed, ' zegt Anikeeva.

Een van de redenen voor die lange levensduur, ze zegt, is dat "alles werkt onder zeer gematigde omstandigheden, " inclusief lage activeringstemperaturen. Slechts een stijging van 1 graad Celsius kan voldoende zijn om de vezelcontractie te starten.

De vezels kunnen een breed scala aan maten overspannen, van enkele micrometers (miljoensten van een meter) tot enkele millimeters (duizendsten van een meter) breed, en kan gemakkelijk worden vervaardigd in batches tot honderden meters lang. Tests hebben aangetoond dat een enkele vezel in staat is om lasten tot 650 keer zijn eigen gewicht op te tillen. Voor deze experimenten op individuele vezels, Örgüç en Kanik hebben toegewijde, geminiaturiseerde testopstellingen.

De mate van aanscherping die optreedt wanneer de vezel wordt verwarmd, kan worden "geprogrammeerd" door te bepalen hoeveel aanvankelijke rek de vezel moet geven. Hierdoor kan het materiaal precies worden afgestemd op de hoeveelheid kracht die nodig is en de hoeveelheid temperatuurverandering die nodig is om die kracht te activeren.

De vezels zijn gemaakt met behulp van een vezeltreksysteem, waardoor het mogelijk is om andere componenten in de vezel zelf op te nemen. Vezeltekening wordt gedaan door een oversized versie van het materiaal te maken, een voorvorm genoemd, die vervolgens wordt verwarmd tot een bepaalde temperatuur waarbij het materiaal viskeus wordt. Het kan dan worden getrokken, net als het trekken van taffy, om een ​​vezel te creëren die zijn interne structuur behoudt, maar een kleine fractie is van de breedte van de voorvorm.

Voor testdoeleinden, de onderzoekers bedekten de vezels met mazen van geleidende nanodraden. Deze mazen kunnen worden gebruikt als sensoren om de exacte spanning te onthullen die door de vezel wordt ervaren of uitgeoefend. In de toekomst, deze vezels kunnen ook verwarmingselementen bevatten, zoals optische vezels of elektroden, een manier bieden om het intern te verwarmen zonder afhankelijk te zijn van een externe warmtebron om de samentrekking van de "spier" te activeren.

Dergelijke vezels kunnen worden gebruikt als actuatoren in robotarmen, poten, of grijpers, en in prothetische ledematen, waar hun geringe gewicht en snelle reactietijden een aanzienlijk voordeel zouden kunnen opleveren.

Sommige prothetische ledematen kunnen tegenwoordig wel 30 pond wegen, waarbij een groot deel van het gewicht afkomstig is van actuatoren, die vaak pneumatisch of hydraulisch zijn; lichtere actuatoren kunnen het leven van degenen die protheses gebruiken dus veel gemakkelijker maken. Dergelijke vezels kunnen ook worden gebruikt in kleine biomedische apparaten, zoals een medische robot die werkt door in een slagader te gaan en vervolgens te worden geactiveerd, Anikeeva suggereert. "We hebben activeringstijden in de orde van tientallen milliseconden tot seconden, " afhankelijk van de afmetingen, ze zegt.

Om meer kracht te bieden voor het heffen van zwaardere lasten, de vezels kunnen samengebundeld worden, zoals spiervezels in het lichaam worden gebundeld. Het team heeft met succes bundels van 100 vezels getest. Door het vezeltrekproces, sensoren kunnen ook in de vezels worden opgenomen om feedback te geven over de omstandigheden die ze tegenkomen, zoals in een prothetische ledemaat. Örgüç zegt dat gebundelde spiervezels met een closed-loop feedbackmechanisme toepassingen kunnen vinden in robotsystemen waar geautomatiseerde en nauwkeurige controle vereist is.

Kanik zegt dat de mogelijkheden voor dit soort materialen vrijwel onbeperkt zijn, omdat bijna elke combinatie van twee materialen met verschillende thermische uitzettingssnelheden zou kunnen werken, een enorm rijk aan mogelijke combinaties achterlatend om te verkennen. Hij voegt eraan toe dat deze nieuwe bevinding was als het openen van een nieuw venster, alleen om "een heleboel andere vensters" te zien wachten om te worden geopend.

"De kracht van dit werk zit in zijn eenvoud, " hij zegt.