澳洲伍倫貢大學(xué)科學(xué)家開發(fā)新型人造肌肉 可用來(lái)制造先進(jìn)假肢

澳洲臥龍崗大學(xué)(UOW)科學(xué)家在 DNA 超螺旋的啟發(fā)下開發(fā)了一種新型人造肌肉，用于微型機(jī)器人應(yīng)用。

微型人造肌肉可以用來(lái)制造先進(jìn)的假肢和可穿戴設(shè)備，幫助受傷或身體殘疾的人行動(dòng)。此外，也可以用于無(wú)創(chuàng)手術(shù)工具和工業(yè)微型機(jī)械手。

論文題目為《受 DNA 超螺旋啟發(fā)的雙高行程和高工作能力人造肌肉(Dual high-stroke and high–work capacity artificial muscles inspired by DNA supercoiling)》。

一、百萬(wàn)周期性運(yùn)動(dòng)，為微型機(jī)器人提供強(qiáng)大動(dòng)能

微型機(jī)器人的主要技術(shù)挑戰(zhàn)在于如何在小型設(shè)備上產(chǎn)生強(qiáng)大的運(yùn)動(dòng)和力量，而人造肌肉可以解決這一問(wèn)題。

研究的主要作者、UOW 澳大利亞創(chuàng)新材料研究所的杰弗里?斯賓克斯(Geoffrey Spinks)教授說(shuō)道：“使用模擬骨骼肌的驅(qū)動(dòng)材料為微型機(jī)器人提供動(dòng)力很有吸引力，但它們太復(fù)雜了，無(wú)法輕易縮小尺寸。因此，我們期待人造肌肉來(lái)為機(jī)器人提供良好的機(jī)械驅(qū)動(dòng)。”

斯平克斯教授介紹道，人造肌肉支持大幅度動(dòng)作且易于復(fù)原，機(jī)械工作高效，可以持續(xù)數(shù)百萬(wàn)個(gè)周期，非常適合微型機(jī)器。

二、靈感來(lái)自 DNA，超螺旋收縮自如

新型人造肌肉的靈感來(lái)自 DNA。

斯賓克斯教授說(shuō)：“我們的新型人造肌肉正是模仿 DNA 分子收縮到細(xì)胞核中時(shí)的方式。”

DNA 是最堅(jiān)硬和最長(zhǎng)的天然聚合物之一，當(dāng)要進(jìn)入微米大小的細(xì)胞核中時(shí)，厘米大小的 DNA 必須收縮 1000 倍以上，通過(guò)超螺旋過(guò)程減小體積。

“我們能夠通過(guò)膨脹扭曲的纖維來(lái)制造類似 DNA 般的纏繞。當(dāng)纖維末端因旋轉(zhuǎn)而堵塞時(shí)，就會(huì)發(fā)生超螺旋。超螺旋下，人工肌肉產(chǎn)生了大量機(jī)械能。”

研究小組通過(guò)建模對(duì)纖維進(jìn)行了優(yōu)化，縮小了纖維的尺寸以減少其響應(yīng)時(shí)間，從而最大限度地提高速率和能量輸出。

然后，他們成功地將這些新肌肉用于可能的應(yīng)用，包括微型剪刀和微型鑷子。

三、反應(yīng)速度提升后，人造肌肉應(yīng)用場(chǎng)景更豐富

就職于悉尼大學(xué)合著者之一西納?納菲奇(Sina Naficy)博士說(shuō)：“模仿自然界中的行為是非常有趣的。我們已經(jīng)了解到，形成纖維復(fù)合材料的纖維纏繞成螺旋提供了一個(gè)方便的方式來(lái)存儲(chǔ)和釋放機(jī)械能。自然界中有許多這樣的螺旋復(fù)合物，從 DNA 分子到植物卷須。這些系統(tǒng)為未來(lái)的發(fā)展提供了令人興奮的前景。”

這篇研究論文的另一位合著者、UOW 工程與信息科學(xué)學(xué)院的賈瓦德?福洛伊(Javad Foroughi)博士說(shuō)：“新人造肌肉的作用相當(dāng)緩慢，限制了它的應(yīng)用場(chǎng)景，因此我們下一個(gè)目標(biāo)是加快反應(yīng)速度。”研究團(tuán)隊(duì)已使用水凝膠來(lái)推動(dòng)超螺旋的體積變化。

斯賓克斯教授說(shuō)：“我們確實(shí)相信，制造直徑更小的纖維可以提高速度，但目前，這種應(yīng)用僅限于那些需要較慢響應(yīng)的纖維。”“開發(fā)更快的超螺旋肌肉將開辟進(jìn)一步的應(yīng)用領(lǐng)域。我們希望其他人將探索不同的方法來(lái)產(chǎn)生體積變化，例如通過(guò)電加熱導(dǎo)致更快的響應(yīng)。”

結(jié)語(yǔ)：新型人造肌肉應(yīng)用場(chǎng)景更為廣泛

DNA 超螺旋啟發(fā)下的人造肌肉具有高彈性，行為非常接近真正的肌肉纖維，不僅對(duì)醫(yī)學(xué)具有重大意義，而且對(duì)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展也至關(guān)重要。

隨著特殊聚合體材料和智能材料的不斷研發(fā)，人造肌肉的伸縮、彎曲、扭動(dòng)、收縮等狀態(tài)將更為靈活，在醫(yī)學(xué)、機(jī)器人學(xué)等領(lǐng)域發(fā)揮更大效能。

關(guān)鍵詞： 澳洲 伍倫貢 大學(xué) 科學(xué)家