据发现这一过程的宾夕法尼亚州立大学领导的科学家团队称，受肌肉结构的启发，一种用于制造纤维致动器的创新策略可能会导致机器人、假肢和智能服装的进步。
宾夕法尼亚州立大学材料科学与工程助理教授罗伯特·希基说：“执行器是任何在任何外部刺激下都会发生变化或变形的材料，例如会收缩、弯曲或膨胀的机器部件。” “对于机器人等技术，我们需要开发这些材料的柔软、轻质版本，这些材料基本上可以充当人造肌肉。我们的工作实际上是寻找一种新的方法来做到这一点。”
该团队开发了一个两步工艺来制造模拟肌肉纤维结构的纤维致动器，并且与其他当前致动器相比，在几个方面都表现出色，包括效率、致动应变和机械性能。他们今天(6 月 2 日)在Nature Nanotechnology杂志上报告了他们的发现。
“这是一个很大的领域，有很多令人兴奋的研究，但它一直专注于优化性能的工程材料，”Hickey 说。“让我们的工作令人兴奋的是我们真正关注化学、结构和性质之间的联系。”
Hickey 之前领导了一个团队，该团队生产自组装的纳米结构水凝胶材料。水凝胶是一种聚合物网络，可以膨胀并保持大量的水，同时保持其结构。
在这项新的研究中，科学家们发现，由这种水凝胶材料制成的纤维在水合时可以拉伸数倍于其原始长度，并在拉伸状态下干燥时会硬化并锁定拉长的形状。科学家们说，加水或加热可以使材料恢复到原来的大小，使其有望用作执行器。
“我们开始认识到这些纤维正在收缩并表现出一些非常迷人的特性，”希基说。“当我们开始对结构进行表征时，我们意识到这里发生了一些从根本上有趣的事情。我们开始认识到，在许多方面，这些模仿或镜像的天然肌肉的结构。”
科学家们说，这些材料由高度排列的纳米级结构组成，具有交替的结晶和无定形区域，类似于哺乳动物骨骼肌的有序和条纹图案。
水凝胶出色的拉伸性能是刚性无定形纳米级域和充满水的微米级孔隙相结合的结果。当水凝胶被拉伸时，它们会像橡皮筋一样弹回。如果拉伸的纤维在拉伸状态下干燥，聚合物网络将结晶，锁定在纤维的细长形状中。
“我们认为我们拥有这些特殊特性的根本原因之一是纤维在纳米尺度上非常精确地组织，类似于人类肌肉的肌节，”希基说。“正在发生的事情是你有一个均匀的收缩。这些无定形域都沿着纤维精确地组织，这意味着它们在一个方向上收缩，这产生了恢复到原始状态的能力。”
对拉伸的材料施加水或热会熔化晶体并使材料恢复其原始形式。科学家们说，当拉伸到其原始长度的五倍时，该材料可以恢复到其尺寸的 80% 以内，并且可以在多个循环中做到这一点而不会降低性能。
“我们可以使用两种不同的刺激，热和水来触发驱动，这一事实为用这种方法制造的材料开辟了双倍的可能性，”Hickey 说。“大多数执行器都是由单一刺激触发的。双重刺激开启了我们材料的多功能性。”
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