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更好地了解柔软的人造肌肉

2019-12-24 18:28:42    来源:    我来说两句()
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 人造肌肉将为未来的软机器人和可穿戴设备提供动力。但是,对于这些功能强大的结构的基础机制,还需要更多了解,以便设计和构建新设备。

现在,哈佛大学约翰·保尔森工程与应用科学学院(SEAS)的研究人员发现了人造肌纤维的一些基本物理特性。

劳拉·马哈德文(L. Mahadevan)表示:“可以轻松拉伸,弯曲,扭曲或剪切的细软丝能够极端变形,导致结状,辫状或环状结构易于存储或释放能量。” England de Valpine应用数学,生物和进化生物学以及物理学教授。“最近,许多实验小组已将其用于制造原型人造肌肉纤维。但是,在此过程中,这些细长纤维的拓扑结构,几何形状和力学如何结合在一起尚不清楚。我们的研究解释了这些形状背后的理论原理进行转换,并阐明基本的设计原则。”

该论文的第一作者,应用数学博士学位的尼古拉斯·查尔斯说:“软纤维是肌肉的基本单位,可以用于从机器人技术到可以响应诸如热或湿度等刺激的智能纺织品的所有事物。” “如果我们能理解该系统,则可能性是无限的。我们的工作解释了柔软,强烈拉伸和扭曲的纤维的复杂形态,并为最佳设计提供了指导。”

这项研究发表在《物理评论快报》上。

柔软的纤维或细丝可以拉伸,剪切,弯曲或扭曲。这些不同的动作如何相互作用以形成结,辫和螺旋,这对软执行器的设计很重要。想象一下,尽可能紧地拉伸和扭曲橡皮筋。随着扭曲变得越来越紧,乐队的一部分将从飞机上弹出,并开始围绕自身扭曲成线圈或结。这些线圈和环的形式正确,可用于驱动打结的光纤。

研究人员发现,不同程度的拉伸和扭曲会导致不同类型的复杂非平面形状。他们表征了哪些形状会导致扭结环,哪些线圈会紧缩以及哪些会导致两者混合。他们发现预拉伸对于形成线圈非常重要,因为这些形状在拉伸下最稳定,并模拟了如何使用此类线圈进行机械加工。

查尔斯说:“这项研究为我们提供了一种简单的方法来预测柔软的长丝将如何响应扭曲和拉伸。”

马哈德万说:“展望未来,我们的工作在涉及缠结细丝的其他情况下也可能是相关的,例如卷发,聚合物动力学以及太阳和其他恒星中磁场线的动力学。”

该研究由伊利诺伊大学机械科学与工程学助理教授Mattia Gazzola和该小组的前成员共同撰写。它得到了美国国家科学基金会的部分支持。


 
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