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博科园|强大的人造肌肉,或将为未来的软机器人,可穿戴设备提供动力!

2020-01-12

人造肌肉或将为未来的软机器人和可穿戴设备提供动力。但为了设计和制造新设备,需要更多地了解这些强大结构的基本机制。现在,哈佛大学约翰·A·保尔森工程与应用科学学院(SEAS)的科学家们,发现了人造肌肉纤维的一些基本物理特性。Lola England de Valpine应用数学、组织和进化生物学以及物理学教授L.Mahadevan说:可以很容易地拉伸、弯曲、扭曲或剪切的细丝能够产生极大的变形,产生结状、辫状或环状结构,这些结构可以很容易地存储或释放能量。

现在许多实验小组利用这一点来创造出典型的人造肌肉纤维,但在这个过程中,这些细长纤维的拓扑、几何和力学是如何结合在一起的,研究并不完全清楚。本研究解释了这些形状转换背后的理论原理,并揭示了潜在的设计原则。数学博士生,也是该研究的第一作者尼古拉斯·查尔斯(Nicholas Charles)说:软纤维是肌肉的基本单位,可以用于从机器人到智能纺织品的任何东西,可以对热或湿度等刺激做出反应。如果我们能理解这个系统,可能性将是无穷的。

  • (博科园图示)通过向下端施加向下的轴向载荷,将长丝夹在顶端并通过向下施加轴向载荷而预拉伸少量,然后将底端扭曲,保持底端的轴向载荷不变,在插入临界量的捻度后,长丝会自发地弯曲成环状。图片:Nicholas Charles/Harvard SEAS

研究解释了柔软、强烈拉伸和扭曲的纤维的复杂形态,并为最佳设计提供指导,其研究成果发表在《物理评论快报》期刊上。柔软的纤维或长丝可以拉伸、剪切、弯曲或扭曲。这些不同的动作如何相互作用以形成结、辫子和螺旋线,这对软执行器的设计很重要。想象一下,尽可能地伸展和扭动橡皮筋,随着扭曲变得越来越紧,部分带子将弹出平面,并开始缠绕成一个线圈或结。这些正确形式的线圈和环路可以用来驱动打结的纤维。研究人员发现,不同程度的拉伸和扭转导致不同类型的复杂非平面形状。

同时表征了哪些形状导致扭结的线圈,哪些导致紧密的线圈,以及哪种形状导致两者的混合,研究还发现预拉伸对于形成线圈很重要,因为这些形状在拉伸下是最稳定的,并且模拟了如何使用这种线圈来产生机械功。这项研究提供了一种简单的方法来预测柔软长丝将如何对扭曲和拉伸做出反应。展望未来,该研究可能也适用于涉及缠绕细丝的其他情况,例如卷发、聚合物动力学以及太阳和其他恒星中磁力线的动力学。


博科园|研究/来自:哈佛大学约翰·保尔森工程与应用科学学院

参考期刊《物理评论快报》

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