英国开发出由螺旋碳纤维制成的人造肌肉

近日，伊利诺伊大学机械科学与工程系(MechSE)的研究人员开发出一种由碳纤维和橡胶制成的人造肌肉，能够承受12000倍于自身的重量。

研究人员从碳纤维这种强韧但质量极轻的材料着手，为了使其更易于发生形变，使用合适的硅橡胶(聚二甲基硅氧烷(PDMS)橡胶)填充碳纤维，并扭曲成螺旋状。通过在末端施加小电流来加热硅橡胶，这种人造肌肉就会发生卷曲，使人造肌肉的直径变粗、长度收缩，从而拉起附着在底部的负载。

这种长时间的收缩，也可以通过将液体己烷输送到卷曲的人造肌肉中实现。在测试中，团队发现，即便使用微小的输入电压，也可以产生非常强的效果。以一根直径仅0.4mm的人造肌肉束为例，能够将半加仑(约1.9L)的水提升1.4英寸(3.6 cm)，而平均每厘米的输入电压仅0.172 V。换算得出，这一提升重量是其自重的12600倍。不仅如此，这些人造肌肉还可以承受高达60MPa的机械应力，提供超过25%拉伸冲程，单位做功高达758 J/kg，这些数据是天然肌肉的18倍。

究团队还开发了一种数学模型，以描述人造肌肉在不同参数下的性能，未来可用于设计具备特定应用属性的人造肌肉。研究人员表示，这些低成本、轻量级人造肌肉的应用前景广泛，可用于机器人、假肢、矫正器、人类辅助设备等诸多领域。有关这项研究的详情，已经发表在近日出版的Smart Materials and Structures期刊上，原标题为Theory of the tensile actuation of fiber reinforced coiled muscles。