Kunstmatige spieren zullen de zachte robots en draagbare apparaten van de toekomst aandrijven. Maar er moet meer worden begrepen over de onderliggende mechanica van deze krachtige structuren om nieuwe apparaten te kunnen ontwerpen en bouwen.

Nutsvoorzieningen, onderzoekers van de Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) hebben enkele van de fundamentele fysieke eigenschappen van kunstmatige spiervezels ontdekt.

"Dunne zachte filamenten die gemakkelijk kunnen uitrekken, kromming, twist of shear zijn in staat tot extreme vervormingen die leiden tot knoopachtige, vlechtachtige of lusachtige structuren die gemakkelijk energie kunnen opslaan of vrijgeven, " zei L. Mahadevan, de Lola England de Valpine hoogleraar Toegepaste Wiskunde, van Organismische en Evolutionaire Biologie, en van Natuurkunde. "Dit is recentelijk door een aantal experimentele groepen uitgebuit om prototypische kunstmatige spiervezels te maken. Maar hoe de topologie, geometrie en mechanica van deze slanke vezels bij elkaar komen tijdens dit proces was niet helemaal duidelijk. Onze studie verklaart de theoretische principes die ten grondslag liggen aan deze vormtransformaties, en werpt licht op de onderliggende ontwerpprincipes."

"Zachte vezels zijn de basiseenheid van een spier en kunnen in alles worden gebruikt, van robotica tot slim textiel dat kan reageren op prikkels zoals hitte of vochtigheid, " zei Nicolaas Charles, een doctoraat student Toegepaste Wiskunde en eerste auteur van de paper. "De mogelijkheden zijn eindeloos, als we het systeem kunnen begrijpen. Ons werk verklaart de complexe morfologie van zachte, sterk uitgerekte en gedraaide vezels en geeft richtlijnen voor de beste ontwerpen."

Het onderzoek is gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven .

Zachte vezels, of filamenten, kan worden uitgerekt, geschoren, gebogen of gedraaid. Hoe deze verschillende acties op elkaar inwerken om knopen te vormen, vlechtjes, en helices is belangrijk voor het ontwerp van zachte actuatoren. Stel je voor dat je een elastiekje zo strak mogelijk uitrekt en draait. Naarmate de twist strakker en strakker wordt, een deel van de band springt uit het vlak en begint om zichzelf heen te draaien in een spoel of knoop. Deze spoelen en lussen, in de juiste vorm, kan worden aangewend om de geknoopte vezel te activeren.

De onderzoekers ontdekten dat verschillende niveaus van rek en draaiing resulteren in verschillende soorten complexe niet-vlakke vormen. Ze karakteriseerden welke vormen leiden tot geknikte lussen, die te strakke spoelen, en welke tot een mengsel van beide. Ze ontdekten dat voorrek belangrijk is voor het vormen van spoelen, omdat deze vormen het meest stabiel zijn bij uitrekken, en gemodelleerd hoe dergelijke spoelen kunnen worden gebruikt om mechanisch werk te produceren.

"Dit onderzoek geeft ons een eenvoudige manier om te voorspellen hoe zachte filamenten zullen reageren op draaien en uitrekken, " zei Karel.

"Vooruit gaan, ons werk kan ook relevant zijn in andere situaties met verwarde filamenten, zoals in haarkrullen, polymeerdynamica en de dynamica van magnetische veldlijnen in de zon en andere sterren, ' zei Mahadevan.