Veelbelovende nieuwe materialen bootsen spierstructuur en -functie na

Geïnspireerd door de structuur van spieren, zou een innovatieve nieuwe strategie voor het maken van vezelactuators kunnen leiden tot vooruitgang in robotica, protheses en slimme kleding, volgens een door Penn State geleid team van wetenschappers dat het proces ontdekte.

“Actuators zijn elk materiaal dat zal veranderen of vervormen onder externe prikkels, zoals delen van een machine die zullen samentrekken, buigen of uitzetten”, zegt Robert Hickey, assistent-professor materiaalkunde en techniek aan Penn State. “En voor technologieën zoals robotica moeten we zachte, lichtgewicht versies van deze materialen ontwikkelen die in feite als kunstmatige spieren kunnen fungeren. Ons werk gaat echt over het vinden van een nieuwe manier om dit te doen.”

Het team ontwikkelde een proces in twee stappen om vezelactuators te maken die de structuur van spiervezels nabootsen en die uitblinken in verschillende aspecten in vergelijking met andere huidige actuatoren, waaronder efficiëntie, actuatiebelasting en mechanische eigenschappen. Ze rapporteerden hun bevindingen vandaag (2 juni) in het tijdschrift Natuur Nanotechnologie.

“Dit is een groot veld en er is veel spannend onderzoek, maar het is echt gericht geweest op technische materialen om eigenschappen te optimaliseren”, zei Hickey. “Wat ons werk boeiend maakt, is dat we ons echt focussen op de verbinding tussen chemie, structuur en eigendom.”

Hickey leidde eerder een team dat zelfassemblerende, nanogestructureerde hydrogelmaterialen produceerde. Hydrogels zijn netwerken van polymeren die kunnen zwellen en grote hoeveelheden water kunnen vasthouden terwijl ze hun structuur behouden.

In het nieuwe onderzoek ontdekten de wetenschappers dat vezels gemaakt van dit hydrogelmateriaal meerdere keren hun oorspronkelijke lengte kunnen uitrekken wanneer ze worden gehydrateerd en uitharden en de langwerpige vorm vastzetten wanneer ze in uitgerekte toestand worden gedroogd. Door water of warmte toe te voegen, kan het materiaal terugkeren naar zijn oorspronkelijke grootte, waardoor het veelbelovend is voor gebruik als actuator, aldus de wetenschappers.

“We begonnen te herkennen dat deze vezels samentrokken en een aantal echt fascinerende eigenschappen vertoonden”, zei Hickey. “Toen we begonnen met het karakteriseren van de structuur, realiseerden we ons dat er hier een aantal fundamenteel interessante dingen aan de hand waren. En we begonnen te herkennen dat de structuur van deze nagebootste of gespiegelde natuurlijke spieren in veel opzichten was.”

De materialen bestaan ​​uit sterk uitgelijnde structuren op nanoschaal met afwisselende kristallijne en amorfe domeinen, die lijken op het geordende en gestreepte patroon van skeletspieren van zoogdieren, aldus de wetenschappers.

De uitzonderlijke rekeigenschappen van de hydrogels zijn het resultaat van de combinatie van stijve amorfe nanoschaaldomeinen en poriën op micrometerschaal gevuld met water. Wanneer de hydrogels worden uitgerekt, klikken ze terug als een rubberen band. Als de uitgerekte vezels in uitgerekte toestand worden gedroogd, zal het polymeernetwerk kristalliseren en de langwerpige vorm van de vezels vastzetten.

“We denken dat een van de fundamentele redenen waarom we deze uitzonderlijke eigenschappen hebben, is dat de vezels heel precies op nanometerschaal zijn georganiseerd, vergelijkbaar met het sarcomeer van een menselijke spier,” zei Hickey. “Wat er gebeurt, is dat je een uniforme samentrekking hebt. Deze amorfe domeinen zijn allemaal precies langs de vezel georganiseerd, en dat betekent dat ze in één richting samentrekken, wat aanleiding geeft tot dit vermogen om terug te keren naar die oorspronkelijke staat.”

Door water of warmte toe te passen op de uitgerekte materialen smelten de kristallen en kan het materiaal terugkeren naar zijn oorspronkelijke vorm. Wanneer het materiaal wordt uitgerekt tot vijf keer de oorspronkelijke lengte, kan het terugkeren tot binnen 80% van zijn grootte en kan dit gedurende vele cycli zonder prestatieverlies, aldus de wetenschappers.

“Het feit dat we twee verschillende stimuli, warmte en water, kunnen gebruiken om activering te activeren, opent het dubbele van de mogelijkheden voor materialen die met deze methode zijn gemaakt,” zei Hickey. “De meeste actuatoren worden geactiveerd door een enkele stimulus. Dubbele stimuli openen de veelzijdigheid van onze materialen.”