【新智元導讀】今天，Science封面發表重磅研究：MIT的研究人員發明了一種“人造肌肉纖維”，溫度改變即可伸縮，而且非常輕巧，可以非常快速地響應。這種人造肌肉可用於機器人手臂、假肢、醫療機器人等。瞭解更多，獲取論文，請關注新智元和群

你見過黃瓜生長嗎？它有卷鬚，會順著杆子或其他支撐物往上卷繞，確保自己能夠接受更多的陽光照射。

黃瓜的卷鬚使其能夠攀爬向上生長

現在，MIT的研究人員找到了模擬這種卷繞和拉伸的方法來產生可伸縮纖維，這可以為機器人、假肢或其他機械和生物醫學的應用提供人造肌肉。

雖然已經有許多創造人造肌肉的方法，比如液壓系統，伺服馬達，形狀記憶金屬和響應刺激的聚合物等，但它們都具有侷限性，比容太重或響應時間太長。

研究人員表示：相比之下，這種基於纖維的新系統非常輕巧，可以非常快速地響應。今天，這項研究登上了《Science》封面。

這種新纖維由MIT博士後Mehmet Kanik和研究生SirmaÖrgüç等開發，與教授Polina Anikeeva，Yoel Fink，Anantha Chandrakasan和C.CemTaşan合作。

原理簡單，效果驚人：MIT人造纖維能舉起650倍於自身的重量

研究人員使用纖維拉伸技術將兩種不同的聚合物組合成單股纖維。該過程的關鍵是將兩種具有非常不同的熱膨脹係數的材料粘合在一起，這意味著它們在加熱時具有不同的膨脹率。

纖維的內部結構

許多恆溫器中都使用了該原理，例如，使用雙金屬片作為測量溫度的方式。隨著接合材料的加熱，想要更快膨脹的一側被另一種材料阻擋。結果就是，粘合材料會捲曲，朝向膨脹更緩慢的一側彎曲。

實驗中使用的兩種聚合物是COCe和HDPE

使用兩種不同的聚合物粘合在一起，分別是一種非常易拉伸的環狀共聚物彈性體和一種更硬的熱塑性聚乙烯，MIT研究人員製造了一種纖維，當拉伸到其原始長度的幾倍時，自然形成一個緊密的線圈，與黃瓜產生的卷鬚非常像。

研究人員稱，這些基於纖維的致動結構是可控的，由熱和光控制，可以舉起自身體重650倍的重量，並能承受>1000%的拉力。

意外收穫：人造肌肉能拉伸10000次

研究人員第一次體驗這種人造肌肉時，接下來發生的事情讓他們十分驚喜。“這裡面有很多意外的收穫，”研究人員說。

當Kanik第一次拿起盤繞的纖維時，他的手的溫度就足以使纖維更緊地捲曲起來。

根據這一觀察，他發現，即使溫度只是稍稍升高，纖維也會收緊，產生驚人的強大拉力。然後，一旦溫度下降，纖維就恢復到原來的長度。

在隨後的測試中，研究團隊表明，這種收縮和拉伸的過程可以重複10000次，而且強度不會減弱。

研究人員說，能夠重複如此多次的原因之一是“一切都在非常溫和的條件下運行”，包括低激活溫度。僅僅升高1攝氏度就足以使纖維收縮。

這些纖維可以有多種尺寸，寬度從幾微米(百萬分之一米)到幾毫米(千分之一米)不等，而且可以很容易地批量生產，最長可達數百米。

試驗表明，一根纖維可以承受自身重量650倍的載荷。為了在單根纖維上進行實驗，研究團隊開發了專用的小型化測試裝置。

當纖維受熱時發生的拉緊程度，可以通過確定給纖維的初始拉伸量來“編程”。這使得材料可以精確地調整到所需的力以及觸發該力所需的溫度變化量。

這些纖維是使用一個“纖維拉伸系統”製成的，因此將其他成分加入纖維中也是可能等。纖維拉伸是通過製造一個超大尺寸的材料，稱為預成型件，然後加熱到特定的溫度，使材料變得粘稠。然後就可以像拉太妃糖一樣將纖維拉出，同時使纖維保持其內部結構，只是寬度比預成型件小很多。

獲得一根纖維彈簧的冷拉工藝。步驟1至4顯示拉伸過程，步驟5 - 8顯示釋放時，纖維形成了彈簧

作為測試，研究人員在纖維表面塗上了導電納米線網格。這些網格可以用作傳感器，以顯示纖維所經歷或施加的確切張力。

未來，這些纖維還可以包含加熱元件，如光纖或電極，提供一種內部加熱的方式，而無需依賴外部熱源來激活“肌肉”的收縮。

無限可能：人造肌肉可用於機器人手臂、假肢等

這種人造肌肉纖維可以用作機器人手臂、腿或夾持器中的致動器，也可以用作假肢的部件，因為它們重量輕，反應速度快，具有顯著的優勢。

如今，一些假肢的重量可達13公斤，其中大部分重量來自致動器，通常是氣動或液壓的；因此，對於使用假肢的人來說，更輕的致動器可以使他們的生活更便利。

研究人員說：“這種纖維還可以應用於小型生物醫學設備，比如進入動脈後再被激活的醫療機器人。”

這種人造纖維的激活時間是幾十毫秒到幾秒，取決於尺寸。

為了提供更大的強度來承受更重的負荷，纖維可以捆綁在一起，就像肌肉纖維在身體中是捆綁著的一樣。該團隊成功地測試了100根纖維捆綁在一起的纖維束。

通過纖維拉伸過程，傳感器也可以植入到纖維中，從而能夠對它們遇到的情況提供反饋，例如在假肢。研究人員表示，帶有閉環反饋機制的纖維束可以應用於需要自動化和精確控制的機器人系統中。

這類材料的可能性實際上是無限的，因為幾乎任何兩種熱膨脹率不同的材料的組合都可以起作用，這是一個可以探索各種可能組合的廣闊領域。

研究人員說，這個新發現就像打開了一個新窗口，卻看到“更多其他的窗口”等著被打開。

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