Kunstmatige spieren komen in actie met doorn-vrije fabricagetechniek

Onderzoekers van de Universiteit van Texas in Dallas hebben een nieuwe, goedkope methode uitgevonden voor het fabriceren van kunstmatige spieren voor potentieel gebruik in robots, in comfortadvoegende jassen die thermischer wordtoleren naarmate de omringende lucht kouder wordt en als mechanische energieoogstmachines.

In een studie gepubliceerd In het nummer van 7 maart van het tijdschrift WetenschapUT Dallas-onderzoekers en hun medewerkers beschrijven hun doorn-vrije methode voor het maken van veerachtige, thermisch aangedreven polymeerspieren die 97% van hun oorspronkelijke lengte kunnen uitrekken en een veerindex meer dan 50 hebben.

De veerindex beschrijft de verhouding van de gemiddelde diameter van een veer tot de diameter van de componentvezels of draad. Springs met een kleine veerindex zijn strak gewikkeld en stijver dan die met een hogere index, die losjes gewond en flexibeler zijn, zoals een slinky speelgoed.

Dr. Ray Baughman, directeur van het Alan G. MacDiarmid Nanotech Institute aan UT Dallas en de senior en co-correcterende auteur van de studie, is een pionier in het creëren van opgerolde kunstmatige spieren van verschillende materialen, waaronder polymeervezels en koolstofnanobuisjes. Hij en andere onderzoekers hebben eerder opgerolde spieren met een hoge sping-index gemaakt door dergelijke vezels of garens rond een doorn of een spil te wikkelen om de spoel te vormen.

“Het probleem is dat er geen procesrapporten zijn voor het maken van doorn-vrije, grote spring-index-garens dan om de verne na spiercoiling op te lossen, die de grootschalige polymeervezel met grote diameter verspilt die doorgaans wordt gebruikt als een mandrel en een afvalstroom creëert,” zei Baughman, een Robert A. Welch-onderscheidende stoel in chemie in de school van natuurlijke wetenschap en wiskunde.

Dr. Mengmeng Zhang, een onderzoekswetenschapper in het Nanotech Institute en hoofdauteur van de nieuwe studie, leidde de ontwikkeling van de doorn-vrije fabricagetechniek.

“High-Spring-Index-garens kunnen veel minder kosten worden gemaakt door deze doorn-vrije methode,” zei Zhang. “Bij verhit en afgekoeld kunnen deze spieren aanzienlijk samentrekken en verlengen vanwege hun grote veerindex.”

Een applicatie voor de technologie is comfortadjstende jassen die automatisch grote thermisch isolerende poriën openen naarmate de omgevingstemperatuur ongemakkelijk koud wordt.

Baughman en zijn team hebben eerder een licentie gegeven aan hun polymere kunstmatige spieren gemaakt met behulp van een door doorn gewikkeld proces voor een kledingfabrikant die de technologie opgenomen in jassen die werden gedragen door leden van het Amerikaanse team op de Olympische Winterspelen 2022 in Beijing. Omdat het door door doorn gewikke proces zo duur was, zijn de jassen echter niet langer commercieel geproduceerd, zei Baughman.

“Onze nieuwe doorn-vrije methode voor het maken van high-spring-index opgerolde vezel vermijdt dit grote probleem, dus het kan binnenkort de commercialisering van nieuwe comfortadjesterende jassen mogelijk maken,” zei Baughman.

Zhang zei dat de fabricagemethode ook mogelijk maakt dat de veerindex langs de lengte van een spier wordt gevarieerd. Bovendien gebruikten de onderzoekers de doorn-vrije methode om carbon nanobuis-garens met een hoge veer-index te maken, die kunnen worden gebruikt om mechanische energie te oogsten of als zelfaangedreven spanningssensoren.

De precieze expansie- en samentrekkingsstreken van de spieren worden aangedreven door warmte, die wordt geleverd door het toepassen van elektriciteit of door het gebruik van oplosmiddelen of elektrochemische middelen.

Het doorn-vrije fabricageproces omvat het invoegen van twist in individuele vezels op een niveau onder de draai waardoor ze op zichzelf terugspoelen, waardoor de gedraaide vezels veerachtige spoelen worden gecreëerd. Tijdens het varen dient elke vezel als een doorn voor andere vezels.