MIT团队打造“人造肌肉”：卷起来像黄瓜须，每米成本仅6美分

当黄瓜生长时，它会发芽，长出紧密卷曲的卷须，寻找支撑物，以便将植物向上生长。这确保了植物尽可能多地接收阳光。现在，麻省理工学院的研究人员已经找到了一种方法来模仿植物卷绕和拉动机制来产生收缩纤维，这种纤维可以用作机器人、假肢或其他机械和生物医学应用的人造肌肉。

虽然已经使用许多不同的方法来创建人造肌肉，包括液压系统，伺服马达，形状记忆金属和响应刺激的聚合物，但它们都具有其局限性，包括重量高或响应时间慢。相比之下，新的基于纤维的系统非常轻巧，可以非常快速地响应。近日，在《科学》杂志上报道了这些发现。

新纤维由麻省理工学院博士后Mehmet Kanik和麻省理工学院研究生SirmaÖrgüç开发，与教授Polina Anikeeva，Yoel Fink，Anantha Chandrakasan和C.CemTaşan以及其他五位研究人员合作，使用纤维拉伸技术将两种不同的聚合物结合起来成一股纤维。

这一过程的关键是将两种热膨胀系数完全不同的材料结合在一起——这意味着它们在受热时的膨胀率不同。这与许多恒温器使用的原理相同，例如，使用双金属片作为测量温度的方法。当连接的材料受热时，想要膨胀得更快的那一面被另一种材料挡住了。因此，粘合材料卷曲起来，向膨胀速度较慢的一侧弯曲。

使用两种不同的聚合物粘合在一起，一种非常易拉伸的环状共聚物弹性体和一种更硬的热塑性聚乙烯，Kanik，Örgüç及其同事生产了一种纤维，当拉伸到其原始长度的几倍时，自然形成一个紧密的线圈，非常像黄瓜产生的卷须。但是当研究人员第一次体验它时，接下来发生的事情实际上是一个惊喜。 “有很多意外发现。”Anikeeva回忆道。

一旦Kanik第一次拿起盘绕的纤维，仅仅是手的温暖就会使纤维更紧密地卷起来。根据这一观察结果，他发现即使温度稍微升高也会使线圈收紧，产生令人惊讶的强大拉力。然后，一旦温度回落，光纤就恢复到原来的长度。在后来的测试中，该团队表明，这种收缩和扩张的过程可能会重复10,000次“而且仍然很强劲。”Anikeeva说。

她说，长寿的原因之一是“一切都在非常温和的条件下运行”，包括低活化温度。只需1摄氏度的增加即可开始纤维收缩。

这些纤维可以跨越多种尺寸，从几微米(百万分之一米)到几毫米(千分之一米)宽，并且可以容易地分批生产长达数百米。测试表明，单根纤维能够承受高达自身重量650倍的载荷。对于单根纤维的这些实验，Örgüç和Kanik开发了专门的小型化测试装置。

当纤维受热时发生的拉紧程度可以通过确定纤维的初始拉伸量来“编程”。这使得材料可以精确地调整到所需的力和触发该力所需的温度变化量。

纤维使用纤维拉伸系统制成，这使得可以将其他组分结合到纤维本身中。这使得将其他成分加入纤维本身成为可能。纤维拉伸是通过创建一个超大版本的材料，称为预成型，然后加热到特定的温度，使材料变得粘稠。然后就可以像拉太妃糖一样拉它，使纤维保持其内部结构，但只有预成型纤维宽度的一小部分。

出于测试目的，研究人员在纤维表面涂上了导电纳米线网格。这些网格可以作为传感器来显示纤维所经历或施加的确切张力。在未来，这些纤维还可以包括加热元件，如光纤或电极，提供一种内部加热的方式，而无需依赖任何外部热源来激活“肌肉”的收缩。

这种纤维可以用作机器人手臂、腿中的致动器，以及假肢，其轻微的重量和快速的响应时间可以提供显著优势。

今天的一些假肢重达30磅(27斤)，其中大部分重量来自致动器，通常是气动或液压;因此，重量较轻的致动器可以使戴假肢的人更容易生活。这种纤维也可用于微小的生物医学设备，例如通过进入动脉然后被激活的医疗机器人。Anikeeva表示，“我们的激活时间大约为几十毫秒到几秒，具体取决于尺寸。”

为了提供更大的力量来承受更重的负荷，纤维可以捆绑在一起，就像肌肉纤维捆绑在体内一样。 该团队成功测试了100根纤维。 通过纤维拉伸过程，传感器也可以被植入纤维中，对它们遇到的情况(比如假肢)提供反馈。Örgüç说，将肌肉纤维与闭环反馈机制捆绑在一起，带有闭环反馈机制的捆绑肌纤维可以应用于需要自动化和精确控制的机器人系统。

Kanik说，这种材料的可能性几乎是无限的，因为几乎任何具有不同热膨胀率的材料的组合都可以起作用，留下了一个广阔的领域来探索可能的组合。。 他补充说，这个新发现就像打开一个新窗口，同时看到“一堆其他窗户”等待打开。

“这项工作的优势来自其简单性。”他说。

据报道，这些纤维的成本大约每米 6 美分，已经具备工业化规模量产的条件。