MIT研发出最简单便宜的人工肌肉，主要成分竟是尼龙纤维

人工肌肉（Artificial muscles）是一种收缩和伸展特性类似于人体肌肉纤维的材料，广泛应用于机器人领域、汽车和航空工业零部件等。

　　近日，麻省理工学院（MIT）的研究人员研发出一套迄 今为止最简单、成本最低的“人工肌肉”材料系统， 这种材料模拟了天然肌肉组织表现出的一些弯曲运动特性，其关键成分不仅便宜并且十分常见――即普通的尼龙纤维。

　　该研究结果发表于国际期刊《先进材料》（Advanced Materials），论文作者包括麻省理工学院机械工程系教授伊恩·亨特（ Ian Hunter）、博士生赛义德（Seyed Mirvakili）等，论文主要描述了研究者如何 采用特殊的成形和加热方法处理尼龙这种基本合成纤维材料，使其具备模拟天然肌肉组织弯曲运动特性的性能。

在此之前，其他研究者提出利用扭曲尼龙线圈来模拟天然那肌肉的基本线性运动特性，结果表明：对于给定的尺寸和重量，这样尼龙纤维结构相比于天然肌肉伸展和收缩程度更大，并且能够储存和释放更多的能量。然而，对于类似于人类手指和四肢的弯曲运动，结果却难以实现，并且一直没有研发出简单、低成本的制造系统。

当然，目前还有其他可用于模拟天然肌肉弯曲运动的材料，应用于一些生物医学装置或触摸屏显示器。然而，这些倾向于使用“外加材料”（exotic materials）实现模拟天然肌肉的方法都非常昂贵、并且难以制作，Mirvakili说。

例如，碳纳米管（CNT）纱线确实能够提高使用寿命（超过一百万个线性收缩循环），但是对于广泛使用仍然太昂贵；又如，形状记忆合金（SMA）虽然能够提供强劲的收缩力，但是却具有较差的循环寿命（少于1000个线性收缩循环）。

　　

　　 便宜、简单又好用

　　相比之下，MIT新型尼龙材料“人工肌肉”仅使用便宜的材料和简单的制造工艺，就能表现出极好的循环寿命。 其中，“秘制配方”在于如何进行尼龙纤维的成形 。

　　很多聚合物纤维材料（包括高度定向排列性尼龙）都具有一个非比寻常的性能：加热时，纤维长度收缩而直径膨大。这个属性常被用来制造一些线性致动器，但是，将线性收缩运动转化为弯曲晕的则需要诸如滑轮和卷带盘的机构。如此一来，系统增加了额外的尺寸、复杂性和成本。MIT团队的创新在于 直接利用纤维的运动，而不需要额外的机械部件 。

然而，这种材料制成的线性致动器有一个局限性：加热触发其收缩之后，纤维本身需要一定的时间冷却下来。“冷却速度是一个限制因素，但我意识到可以反过来将劣势变为优势。”Mirvakili说。通过选择性地加热尼龙纤维的单侧，会使该侧收缩的速度比热量传递到另一侧的速度快，因此可以产生弯曲运动。通过这些性能的组合，能够同时获得高应变（指收缩运动）和低导热性。

为了使这种尼龙纤维系统更有效地作为“人工肌肉”工作，纤维的横截面必须要谨慎的成形。MIT研究团队最初使用普通的尼龙钓鱼线，压缩使其横截面从圆形变为矩形或正方形。

然后，选择性地加热纤维的一侧导致其在该方向上弯曲。此外，改变加热的方向也可以产生更复杂的运动。据称，MIT研究团队在实验室测试中，使用这种加热技术使“人工肌肉”以圆形和“8” 字形轨迹移动，并且很容易实现其他更复杂的运动模式。

其中，各种热源都适宜该系统，包括电阻加热、化学反应或激光照射灯丝等。例如，研究人员使用特殊的导电涂料涂覆在纤维上并通过树脂粘合剂固定在合适位置，当对导电材料施加电压时，则选择性地加热纤维涂覆导电涂料的部分，实现特定的弯曲运动。

　　 循环寿命长

研究表明，该“人工肌肉”材料在至少100,000个弯曲循环之仍然保持其良好的性能，并且能以每秒至少17个循环的速度弯曲和收缩。

据亨特称，这种纤维还可以应用于服装材料，根据个体身材轮廓进行特定的贴服和收缩，这将大大减少服装制造商需要生产不同尺寸服装的数量，同时改善舒适性和贴合性。或者，这种纤维还可以用在鞋子中，那么穿鞋时、或者在每个步幅期间，材料都可以调整其刚度和形状，达到最佳贴合状态。

此外，这种材料系统还可用于自动调节式导管或其他生物医学装置。从长远来看，甚至还可用于改善机械系统，例如车辆外部面板，使其自动调整空气动力学形状以适应速度和风况的变化；或者，用于太阳能电池板的自动跟踪系统，使用太阳能面板本身产生的热量自动形变，以保持面板对准太阳。

澳大利亚伍伦贡大学（University of Wollongong）教授杰弗里·史平可斯（Geoffrey Spinks）说：“这种方法新颖而优雅，有非常好的实验数据，也有由适当物理学模型支撑。这是一个简单、并且效果很好的想法，材料便宜、制造方法简单且通用，并且只需简单的电输入就能实现致动。此外，弯曲运动性能在弯曲角度、弯曲力以及速度方面，都十分令人印象深刻。”

史平可斯补充说，“通常，弯曲型执行器需要机器人夹具、微型工具以及各种机器组件。而这种新的弯曲致动器（不需要额外的附件）可以立即应用。”

新西兰奥克兰大学生物工程副教授安德鲁·塔伯纳（Andrew Taberner）说，这称的上是“令人兴奋并且改变游戏规则”的发现。不难想象，这种致动器在医疗和仪器领域有许多应用。他说：“我期望这项工作将被高度引用。

　　 编辑：李盼

　　 参考：http://news.mit.edu/2016/nylon-muscle-fibers-1123

　　 本周精选：

　　

　　 2076年的人类世界，2万字长文畅想｜《新科学家》震撼发布

　　

　　 全球电商发了疯似的迈向实体店，但这只是一缕虚拟的寒光？

　　

　　 美国陆军发布20项重大科技趋势，将在未来30年改变世界！

招聘

编辑、视觉设计、 实习生（编译）

地点：北京

联系：hr@mittrchina.com

MIT Technology Review 中国唯一版权合作方，任何机构及个人未经许可，不得擅自转载及翻译。

分享至朋友圈才是义举