In de afgelopen jaren hebben materiaalwetenschappers een breed scala aan innovatieve materialen ontworpen die kunnen worden gebruikt om nieuwe technologieën te creëren, waaronder zachte robots, controllers en slim textiel. Deze materialen omvatten kunstmatige spieren, structuren die qua vorm lijken op biologische spieren en die de bewegingen van robots kunnen verbeteren of het mogelijk maken om kleding te maken die zich aanpast aan verschillende omgevingsomstandigheden.

Als onderdeel van een lopend project gericht op op textiel gebaseerde zachte actuatoren, heeft een team van onderzoekers van de Jiangnan University in China onlangs nieuwe kunstmatige spieren ontwikkeld op basis van vrijstaand, enkelvoudig spiraalvormig wollen garen. Hun kunstmatige spieren, geïntroduceerd in een paper gepubliceerd in Smart Materials and Structures , kan worden gebruikt om eenvoudig en betaalbaar gedraaide actuatoren te produceren die vochtigheid in hun omgeving kunnen detecteren en erop reageren.

"We proberen flexibele en veelzijdige actuatoren te ontwerpen door gebruik te maken van het hiërarchische structuurontwerp van textiel, variërend van microschalen (bijvoorbeeld moleculaire ketens en aggregatiestructuren) tot macroschalen (bijvoorbeeld vezelmorfologie en textielarchitecturen)," Fengxin Sun, een van de onderzoekers die het onderzoek uitvoerden, vertelden Tech Xplore. "Het realiseren van een op garen gebaseerde kunstmatige spier met vrijstaande en enkelvoudige spiraalvormige architectuur via een milieuvriendelijk en eenvoudig fabricageproces is nog steeds een uitdaging."

Het primaire doel van het recente werk van Sun en zijn collega's was het overwinnen van enkele veelvoorkomende uitdagingen bij het ontwerpen van kunstmatige spieren op basis van garen (d.w.z. gesponnen draad). Het meest opvallende is dat eerdere onderzoeken hebben aangetoond dat het betrouwbaar draaien van garen om vrijstaande kunstmatige spierstructuren te creëren zonder schadelijke chemicaliën of processen te gebruiken, verre van een gemakkelijke taak is.

De onderzoekers van de Jiangnan University waren echter in staat om een ​​milieuvriendelijke behandelingsstrategie te identificeren voor de betrouwbare productie van spiervezels op basis van één spiraal. Hun fabricagemethode is gebaseerd op een combinatie van UV-verlichting en plasma-etsen, een plasmaverwerkingstechniek die vaak wordt gebruikt om geïntegreerde schakelingen te produceren.

Deze verwerkingstechniek kan de afvoer van energie uit de wollen vezels beperken, waardoor de activeringsprestaties van de kunstmatige spieren worden verbeterd. Bovendien is het effectief, schaalbaar en eenvoudig te implementeren, dus het zou ideaal kunnen zijn voor het vervaardigen van deze spierachtige structuren op industrieel niveau.

"De kunstmatige spieren van wollen garen die we hebben gemaakt, vertonen een omkeerbare torsie-aansturing wanneer ze afwisselend worden blootgesteld aan natte en droge omgevingen", legt Sun uit. "De garenspieren vertonen een indrukwekkende torsiebeweging bij bevochtiging, als gevolg van de versterkte hygroscopische expansie van de sterk gedraaide wol. De gestolde spiraalvormige morfologie in de wol als gevolg van de hervormde disulfidenetwerken geeft de wollen garens een 'vormgeheugeneffect'. '"

Dankzij de unieke ontwerp- en fabricagebenadering die door de onderzoekers wordt gebruikt, kan het garen waaruit hun kunstmatige spierstructuur bestaat, zijn oorspronkelijke spiraalvorm herstellen nadat het is gedroogd, zonder de integratie van een externe veer. In de eerste tests vertoonden de enkel-spiraalvormige, op garen gebaseerde spieren een omkeerbare en vochtgevoelige activering, evenals een hoge vochtregulerende prestatie met een lagere energiedissipatie.

Opmerkelijk is dat het fabricageproces van Sun en zijn collega's ook milieuvriendelijk is, omdat er geen chemische en giftige toevoegingen voor nodig zijn. Omdat hun kunstmatige spieren zijn gemaakt van wol, dat inherent biologisch afbreekbaar en hernieuwbaar is, kunnen ze worden gebruikt om duurzamere technologieën en slim textiel te creëren.

"Structuren met enkele spiraal worden over het algemeen als onstabiel beschouwd en zijn vatbaar voor losdraaien zonder externe torsie-tethering, maar we gebruiken hier het inside-tether-effect van hervormde disulfidebruggen in de spiraalvormige structuur van wol om de ingebrachte wendingen in garenspieren te stabiliseren via UV-licht verlichting en auto-oxidatie," zei Sun. "Een dergelijke strategie is volledig milieuvriendelijk en verbetert de activeringsprestaties van wollen garenspieren aanzienlijk."

In de toekomst zou het recente werk van dit team van onderzoekers kunnen inspireren tot de ontwikkeling van nieuwe op garen gebaseerde actuatoren en kunstmatige spieren voor robots die duurzaam, tegen redelijke kosten en op grote schaal kunnen worden geproduceerd. Bovendien kan het enkel-spiraalvormige wollen garen dat ze produceerden worden gebruikt om comfortabel, ademend, niet-toxisch en huidvriendelijk textiel te maken voor slimme kleding, slimme kampeerspullen en andere slimme textielproducten.

"In de volgende fase van ons onderzoek zullen we de route verkennen naar de industriële fabricage van onze kunstmatige spieren, om hun massaproductie te realiseren en technologische innovatie te bevorderen voor de commerciële toepassing van de garenspieren in slim textiel", voegde Sun eraan toe. "Als je je een shirt voorstelt, kan het garen zich aanpassen aan verschillende weersomstandigheden door de luchtgrepen op de stof intelligent te verwisselen, dat zou fascinerend zijn. We hopen dat dit soort kleding tegen lage kosten in ons dagelijks leven beschikbaar zal komen." + Verder verkennen

Omhulsels drijven krachtige nieuwe kunstmatige spieren aan

© 2022 Science X Network