麻省理工学院团队打造“人造肌肉”：每米成本约6美分有望量产

发表于 5年以前 | 总阅读数：509 次

该研究由MIT 博士后Mehmet Kanik 和研究生Sirma Orguc 联合其他9 人共同完成，同时也登上了Science 最新一期的封面。

“热胀冷缩”是人们耳熟能详的自然现象，火车道上每段铁轨之间留有的空隙就是为了应对冬夏长度的变化，而每种材料都有各自不同的热膨胀系数（即温度平均每升高1个单位，长度的相对变化量）。

生活中的许多场景都应用到此，“跳闸”大家应该都很熟悉，而热继电器过载保护的原理就是依靠拥有不同热膨胀系数的“双金属片”在电路过载时感受温度的变化，进而改变两片金属的弯曲程度以达到控制接触断开的效果。

MIT 团队发现，使用两种不同的聚合物粘合成一种纤维，随着温度的升高，膨胀更快的那种材料就会被对面绑定的“伙伴”阻止，这样就导致粘合材料会朝向膨胀较慢的一侧弯曲。这种不对称的收缩会引起纤维向相反的方向卷曲，这就形成了一个类似弹簧的结构，而研究人员发现其可以提供非常强大的拉力。

这将对机器人、智能假肢等机械装置，以及生物医疗等应用场景提供极大帮助，开创了一种新模式“人造肌肉”。

图| 论文的两位第一作者：Mehmet Kanik（右）和Sirma Orguc（来源：Mehmet Kanik）

制造工艺简单实用

Mehmet 团队的灵感来源于黄瓜卷须。

早在1865 年，达尔文就根据对黄瓜卷须的观察，推测黄瓜卷须的盘旋运动能够形成一个弹簧状物，而且他注意到，这种弹簧不像一个典型的弹簧只朝一个方向盘旋，黄瓜的卷须会从系链的末端开始朝着相反的方向开始盘旋。这样当受到来自另一边的牵引力时，黄瓜卷须的纤维不会像一个普通的弹簧那样打开，而是缠绕得更加紧密。

因此Mehmet 团队推测，由弹性体和热塑性聚合物组成的聚合物双晶结构内的热膨胀差异，在低热度条件刺激下可满足线性驱动。为了控制生产纤维的长度和横向尺寸，他们采用了可伸缩的纤维拉伸技术。

这种技术是通过将一个预制作的大尺寸材料加热到一定温度，让材料变得粘稠，然后就可以像“吹糖人”一样将纤维拉出。这种既可以保证纤维内部两片不同材料的结构，还可以控制最终成型的尺寸。

在综合考虑拉伸温度下两种材料的粘度、能否满足鲁棒驱动等约束条件，经过有限元分析，Mehmet 在实验中选择采用HDPE 和COCe 两种聚合物。

图| A.“双晶纤维”的两个热拉伸制备阶段。B.约60 米采用有机玻璃封装的“双晶纤维”。C.有机玻璃外皮去除掉的内部分层示意图。D.纤维冷拉伸前后的横断面扫描电镜（SEM）图像，插图为拉伸后的COCe 结构。（来源：Mehmet Kanik）

纤维制造好后，如果将其拉伸至原始长度的数倍，它将自然地形成一个类似弹簧的线圈，和座机的电话线十分相似。

图| 微观测下的“人造肌肉”纤维（来源：Mehmet Kanik）

力量大、可控且耐用

与传统机器人等机械设备的驱动方式不同，Mehmet 团队这项研究的目的就是要取代传统液压、气动等驱动方式。而使这种新型“人造肌肉”纤维起到拉伸作用的“外力”正是温度，其原理上文已经给予介绍。

Mehmet 团队生产的这种纤维，温度只要在很细微的区间内变化，其结构就会敏感地反应、收紧，同时产生的拉力也十分强大。而在温度下降后，纤维会很快恢复到初始长度。

图| 温度升高14℃ 时，纤维的长度变化——近乎收缩了一半（来源：Mehmet Kanik）

同时，为了测量单根纤维可以承受的重量载荷，Mehmet 设计了一个专门的测试装置。经过多次试验，他们发现单根纤维可以承受约自身重量650 倍的载荷。而且，Mehmet 告诉DeepTech，他们现在已经证明了通过捆绑纤维，可以进一步增加其载重能力；同时，该纤维的收缩并不需要温度有剧烈的变化，对温和温度范围内的起伏就很敏感。

更为难得的是，当纤维受热收缩时，Mehmet 通过对其长度的变化量与温度升降程度进行建模，初步得出一套相对精确的程序，它可以帮助计算在需要一定力的条件时，应提供多大程度的温度变化。这让该研究在未来应用角度上更具有实用价值。

作为驱动设备，材料的耐久度是必须要考虑的。为了让测试更加直观，Mehmet 将纤维和零件拟人化地组装成一个“锻炼肱二头肌的手臂”。通过纤维的拉伸，不断地提放机械手臂上的“哑铃”。经过测试，该纤维可以满足**超过1万次**的“锻炼过程”，并且强度没有下降。