一些研究人造肌肉的項目在逐漸顯露出成果，即使最強壯的人看到這些人造肌肉也會羨慕，研究人員設計出的人造肌肉能夠提升自身體重12,600倍的重物。新肌肉由碳纖維增強硅氧烷橡膠制成，具有卷曲的幾何形狀。

直徑為0.4毫米的碳纖維增強卷曲肌肉放大圖    來源：伊利諾伊大學工程學院

    大多數人都害怕的運動引體向上，提出的是一個非常基本問題：你的肌肉強度足以提起自己的體重嗎？

    一些伊利諾斯研究人造肌肉的研究項目已經逐漸顯露出結果，即使最強壯的人看到也會羨慕，研究人員設計出的人造肌肉能夠提升自身體重12,600倍的重物。

    機械科學與工程系助理教授SamehTawfick、Beckman博士后研究員CaterinaLamuta和SimonMesselot最近發表了一篇關于如何在智能材料與結構雜志上設計超強人造肌肉的研究。這種新的肌肉由碳纖維增強硅氧烷橡膠制成，具有卷曲的幾何形狀。

    這種肌肉不僅可以提起自身重量的12,600倍的重物，還可以承受高達60MPa的機械應力，提供的拉伸沖程高于25％，具體工作量高達758J/kg。這個數量是天然肌肉能夠產生的具體工作量的18倍。當以電力驅動時，基于碳纖維的人造肌肉在不需要高輸入電壓就能顯示出優異的性能：文章中作者展示了直徑只有0.4mm的肌肉束如何能夠在僅為0.172V/cm的電壓下將半加侖水提升至1.4英尺。

    Lamuta說：“這些成本低，重量輕的人造肌肉應用范圍非常廣泛，涉及到機器人、假肢、矯形器和人體輔助器械等眾多不同領域。我們提出的數學模型是一種非常有用的設計工具，可根據不同的應用調整盤繞的人造肌肉的性能，此外，該模型還提供了對驅動機制中起重要作用的所有參數清晰的認知，這個模型還將鼓勵未來的研究著力于開發具有增強特性的新型纖維強化卷曲肌。”

    人造肌肉本身是由商用碳纖維和聚二甲基硅氧烷（PDMS）組成的線圈。首先將碳纖維絲束浸入用己烷稀釋的未固化的PDMS中，然后用簡單的鉆頭加捻以形成具有均勻形狀和恒定半徑的紗線。在PDMS固化之后，直的復合紗線被高度扭曲直到完全卷曲。

    Tawfick說：“最近使用尼龍線發明了盤繞肌肉，它們可以施加較大的驅動沖程，這使得它們在人體輔助設備中的應用非常有用：只要它們可以變得更結實。”

    研究團隊設定了一個目標，即將碳纖維（一種非常強大的輕質材料，很容易在市場上買到）轉化為人造肌肉。

    Tawfick說：“要利用碳纖維，我們必須了解盤繞肌肉的收縮機制，一旦我們了解了這個理論，我們就學會了如何將碳纖維轉化為超強肌肉，我們只是用合適的硅橡膠填充了碳纖維絲束，得到的性能令人印象深刻，這正是我們尋求的目標。”研究表明，肌肉收縮是由于硅膠填充物的熱膨脹或溶劑吸收導致肌肉紗線的半徑增加引起的。“當硅橡膠通過施加電壓、加熱或通過溶劑溶脹而將纖維局部推入纖維束內時，肌肉產生彎曲。從硅橡膠施加到纖維上的內部壓力使得纖維束直徑膨脹并展開，引起沿長度方向的收縮沖程。”

    在實驗表征過程中，將直流電壓施加到線圈的端部以誘導復合材料的加熱并進而引起拉伸致動。線圈的頂端是固定的，而負載連接到底部以產生張力。拉伸行程由攝影機拍攝，逐幀分析。拉伸致動也通過經由輸送至盤繞肌肉的液體己烷的溶脹而誘導產生。

    這些肌肉是否能彎曲更多，實現更大的沖程？經過運算預估和實驗現狀之間的驚人一致為這個問題提的答案供了信心。研究小組發現，人造盤繞肌肉的拉伸致動可能受到客體材料（硅酮）膨脹的能力的限制客體材料的熱降解性質所施加的限制。這解釋了為什么由腫脹驅動的肌肉具有更高的致動應變，它們能夠比熱致肌肉膨脹更多。作者提出的理論模型揭示了如何設計可以使肌肉更具表現力。

    文章來源：sciencedaily，原文題目：Strong carbon fiber artificial muscles can lift 12,600 times their own weight

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責任編輯：殷鵬飛

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