Nieuwe kunstmatige spieren gemaakt van nanotech-garens en doordrenkt met paraffinewas kunnen meer dan 100, 000 keer hun eigen gewicht en genereert 85 keer meer mechanische kracht tijdens contractie dan natuurlijke spieren van dezelfde grootte, volgens wetenschappers van de Universiteit van Texas in Dallas en hun internationale team uit Australië, China, Zuid-Korea, Canada en Brazilië.

De kunstmatige spieren zijn garens gemaakt van koolstofnanobuisjes, die naadloos zijn, holle cilinders gemaakt van hetzelfde type grafietlagen als in de kern van gewone potloden. Individuele nanobuisjes kunnen 10 zijn, 000 keer kleiner dan de diameter van een mensenhaar, nog, pond voor pond, kan 100 keer sterker zijn dan staal.

"De kunstmatige spieren die we hebben ontwikkeld, kunnen zorgen voor grote, ultrasnelle samentrekkingen om gewichten op te heffen die 200 keer zwaarder zijn dan mogelijk is voor een natuurlijke spier van dezelfde grootte, " zei Dr. Ray Baughman [spreek uit als BAK-man], teamleider, Robert A. Welch hoogleraar scheikunde en directeur van het Alan G. MacDiarmid NanoTech Institute aan de UT Dallas. "Hoewel we enthousiast zijn over de toepassingsmogelijkheden op korte termijn, deze kunstmatige spieren zijn momenteel ongeschikt om spieren in het menselijk lichaam direct te vervangen."

Beschreven in een studie die vandaag online in het tijdschrift is gepubliceerd Wetenschap , de nieuwe kunstmatige spieren worden gemaakt door te infiltreren in een volumeveranderende "gast, " zoals de paraffine die voor kaarsen wordt gebruikt, in gedraaid garen gemaakt van koolstofnanobuisjes. Verwarm het met was gevulde garen, elektrisch of met behulp van een lichtflits, zorgt ervoor dat de was uitzet, het garenvolume te vergroten, en de garenlengte om samen te trekken.

De combinatie van toename van het garenvolume met afname van de garenlengte is het resultaat van de spiraalvormige structuur die wordt geproduceerd door het garen te draaien. Een vingermanchet speelgoed voor kinderen, die is ontworpen om de vingers van een persoon in beide uiteinden van een spiraalvormig geweven cilinder te vangen, heeft een analoge werking. Ontsnappen, men moet de vingers tegen elkaar duwen, die de lengte van de buis samentrekt en het volume en de diameter vergroot.

"Vanwege hun eenvoud en hoge prestaties, deze garenspieren kunnen worden gebruikt voor uiteenlopende toepassingen zoals robots, katheters voor minimaal invasieve chirurgie, micromotoren, mixers voor microfluïdische circuits, afstembare optische systemen, microventielen, positioners en zelfs speelgoed, ' zei Baughman.

Spiercontractie – ook wel actuatie genoemd – kan ultrasnel zijn, gebeurt in 25 duizendsten van een seconde. Inclusief tijden voor zowel bediening als omkering van bediening, de onderzoekers toonden een contractiele vermogensdichtheid van 4,2 kW/kg aan, dat is vier keer de vermogen-gewichtsverhouding van gewone verbrandingsmotoren.

Om deze resultaten te bereiken, de met gasten gevulde koolstofnanobuisspieren waren sterk gedraaid om oprollen te produceren, zoals bij het oprollen van een rubberen band van een door elastiek aangedreven modelvliegtuig.

Wanneer vrij te roteren, een met was gevuld garen ontwart als het elektrisch of door een lichtpuls wordt verwarmd. Deze rotatie keert om wanneer het verwarmen wordt gestopt en het garen afkoelt. Een dergelijke torsiewerking van het garen kan een bevestigde peddel roteren tot een gemiddelde snelheid van 11, 500 omwentelingen per minuut voor meer dan 2 miljoen omkeerbare cycli. Pond-per-pond, het gegenereerde koppel is iets hoger dan verkregen voor grote elektromotoren, zei Baughman.

Omdat de garenspieren in elkaar kunnen worden gedraaid en kunnen worden geweven, genaaid, gevlochten en geknoopt, ze kunnen uiteindelijk worden ingezet in een verscheidenheid aan zelfaangedreven intelligente materialen en textiel. Bijvoorbeeld, veranderingen in de omgevingstemperatuur of de aanwezigheid van chemische middelen kunnen het gastvolume veranderen; een dergelijke activering zou de porositeit van textiel kunnen veranderen om thermisch comfort of chemische bescherming te bieden. Dergelijke garenspieren kunnen ook worden gebruikt om een ​​stroomklep te regelen als reactie op gedetecteerde chemicaliën, of pas de opening van de jaloezie aan als reactie op de omgevingstemperatuur.

Ook zonder toevoeging van gastmateriaal, de co-auteurs ontdekten dat het introduceren van coiling in het nanobuisgaren de thermische uitzettingscoëfficiënt van het garen vertienvoudigt. Deze thermische uitzettingscoëfficiënt is negatief, wat betekent dat het ongevulde garen samentrekt als het wordt verwarmd. Verwarmen van het garen in inerte atmosfeer van kamertemperatuur tot ongeveer 2, 500 graden Celsius zorgde voor meer dan 7 procent krimp bij het tillen van zware lasten, wat aangeeft dat deze spieren kunnen worden ingezet tot temperaturen van 1000 C boven het smeltpunt van staal, waar geen enkele andere actuator met hoge werkcapaciteit kan overleven.

"Deze sterk versterkte thermische uitzetting voor de opgerolde garens geeft aan dat ze kunnen worden gebruikt als intelligente materialen voor temperatuurregeling tussen 50 C onder nul en 2, 500 C, " zei Dr. Márcio Lima, een onderzoeksmedewerker in het NanoTech Institute aan de UT Dallas, die mede-hoofdauteur was van de Wetenschap paper met afgestudeerde student Na Li van Nankai University en het NanoTech Institute.

"De opmerkelijke prestaties van onze garenspier en ons huidige vermogen om kilometerslange garens te fabriceren, suggereren de haalbaarheid van vroege commercialisering als kleine actuatoren die een garenlengte op centimeterschaal omvatten, " zei Baughman. "De moeilijkere uitdaging is om onze enkeldraads actuatoren op te schalen naar grote actuatoren waarin honderden of duizenden individuele garenspieren parallel werken."