強大的人造肌肉，或將為未來的軟機器人，可穿戴設備提供動力！

2020-10-18 博科園

人造肌肉或將為未來的軟機器人和可穿戴設備提供動力。但為了設計和製造新設備，需要更多地了解這些強大結構的基本機制。現在，哈佛大學約翰·A·保爾森工程與應用科學學院(SEAS)的科學家們，發現了人造肌肉纖維的一些基本物理特性。Lola England de Valpine應用數學、組織和進化生物學以及物理學教授L.Mahadevan說：可以很容易地拉伸、彎曲、扭曲或剪切的細絲能夠產生極大的變形，產生結狀、辮狀或環狀結構，這些結構可以很容易地存儲或釋放能量。

現在許多實驗小組利用這一點來創造出典型的人造肌肉纖維，但在這個過程中，這些細長纖維的拓撲、幾何和力學是如何結合在一起的，研究並不完全清楚。本研究解釋了這些形狀轉換背後的理論原理，並揭示了潛在的設計原則。數學博士生，也是該研究的第一作者尼古拉斯·查爾斯(Nicholas Charles)說：軟纖維是肌肉的基本單位，可以用於從機器人到智能紡織品的任何東西，可以對熱或溼度等刺激做出反應。如果我們能理解這個系統，可能性將是無窮的。

  • （博科園圖示）通過向下端施加向下的軸向載荷，將長絲夾在頂端並通過向下施加軸向載荷而預拉伸少量，然後將底端扭曲，保持底端的軸向載荷不變，在插入臨界量的捻度後，長絲會自發地彎曲成環狀。圖片：Nicholas Charles/Harvard SEAS

研究解釋了柔軟、強烈拉伸和扭曲的纖維的複雜形態，並為最佳設計提供指導，其研究成果發表在《物理評論快報》期刊上。柔軟的纖維或長絲可以拉伸、剪切、彎曲或扭曲。這些不同的動作如何相互作用以形成結、辮子和螺旋線，這對軟執行器的設計很重要。想像一下，儘可能地伸展和扭動橡皮筋，隨著扭曲變得越來越緊，部分帶子將彈出平面，並開始纏繞成一個線圈或結。這些正確形式的線圈和環路可以用來驅動打結的纖維。研究人員發現，不同程度的拉伸和扭轉導致不同類型的複雜非平面形狀。

同時表徵了哪些形狀導致扭結的線圈，哪些導致緊密的線圈，以及哪種形狀導致兩者的混合，研究還發現預拉伸對於形成線圈很重要，因為這些形狀在拉伸下是最穩定的，並且模擬了如何使用這種線圈來產生機械功。這項研究提供了一種簡單的方法來預測柔軟長絲將如何對扭曲和拉伸做出反應。展望未來，該研究可能也適用於涉及纏繞細絲的其他情況，例如捲髮、聚合物動力學以及太陽和其他恆星中磁力線的動力學。

博科園｜研究/來自：哈佛大學約翰·保爾森工程與應用科學學院

參考期刊《物理評論快報》

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