一些研究人造肌肉的项目在逐渐显露出成果，即使最强壮的人看到这些人造肌肉也会羡慕，研究人员设计出的人造肌肉能够提升自身体重12,600倍的重物。新肌肉由碳纤维增强硅氧烷橡胶制成，具有卷曲的几何形状。

直径为0.4毫米的碳纤维增强卷曲肌肉放大图    来源：伊利诺伊大学工程学院

    大多数人都害怕的运动引体向上，提出的是一个非常基本问题：你的肌肉强度足以提起自己的体重吗？

    一些伊利诺斯研究人造肌肉的研究项目已经逐渐显露出结果，即使最强壮的人看到也会羡慕，研究人员设计出的人造肌肉能够提升自身体重12,600倍的重物。

    机械科学与工程系助理教授SamehTawfick、Beckman博士后研究员CaterinaLamuta和SimonMesselot最近发表了一篇关于如何在智能材料与结构杂志上设计超强人造肌肉的研究。这种新的肌肉由碳纤维增强硅氧烷橡胶制成，具有卷曲的几何形状。

    这种肌肉不仅可以提起自身重量的12,600倍的重物，还可以承受高达60MPa的机械应力，提供的拉伸冲程高于25％，具体工作量高达758J/kg。这个数量是天然肌肉能够产生的具体工作量的18倍。当以电力驱动时，基于碳纤维的人造肌肉在不需要高输入电压就能显示出优异的性能：文章中作者展示了直径只有0.4mm的肌肉束如何能够在仅为0.172V/cm的电压下将半加仑水提升至1.4英尺。

    Lamuta说：“这些成本低，重量轻的人造肌肉应用范围非常广泛，涉及到机器人、假肢、矫形器和人体辅助器械等众多不同领域。我们提出的数学模型是一种非常有用的设计工具，可根据不同的应用调整盘绕的人造肌肉的性能，此外，该模型还提供了对驱动机制中起重要作用的所有参数清晰的认知，这个模型还将鼓励未来的研究着力于开发具有增强特性的新型纤维强化卷曲肌。”

    人造肌肉本身是由商用碳纤维和聚二甲基硅氧烷（PDMS）组成的线圈。首先将碳纤维丝束浸入用己烷稀释的未固化的PDMS中，然后用简单的钻头加捻以形成具有均匀形状和恒定半径的纱线。在PDMS固化之后，直的复合纱线被高度扭曲直到完全卷曲。

    Tawfick说：“最近使用尼龙线发明了盘绕肌肉，它们可以施加较大的驱动冲程，这使得它们在人体辅助设备中的应用非常有用：只要它们可以变得更结实。”

    研究团队设定了一个目标，即将碳纤维（一种非常强大的轻质材料，很容易在市场上买到）转化为人造肌肉。

    Tawfick说：“要利用碳纤维，我们必须了解盘绕肌肉的收缩机制，一旦我们了解了这个理论，我们就学会了如何将碳纤维转化为超强肌肉，我们只是用合适的硅橡胶填充了碳纤维丝束，得到的性能令人印象深刻，这正是我们寻求的目标。”研究表明，肌肉收缩是由于硅胶填充物的热膨胀或溶剂吸收导致肌肉纱线的半径增加引起的。“当硅橡胶通过施加电压、加热或通过溶剂溶胀而将纤维局部推入纤维束内时，肌肉产生弯曲。从硅橡胶施加到纤维上的内部压力使得纤维束直径膨胀并展开，引起沿长度方向的收缩冲程。”

    在实验表征过程中，将直流电压施加到线圈的端部以诱导复合材料的加热并进而引起拉伸致动。线圈的顶端是固定的，而负载连接到底部以产生张力。拉伸行程由摄影机拍摄，逐帧分析。拉伸致动也通过经由输送至盘绕肌肉的液体己烷的溶胀而诱导产生。

    这些肌肉是否能弯曲更多，实现更大的冲程？经过运算预估和实验现状之间的惊人一致为这个问题提的答案供了信心。研究小组发现，人造盘绕肌肉的拉伸致动可能受到客体材料（硅酮）膨胀的能力的限制客体材料的热降解性质所施加的限制。这解释了为什么由肿胀驱动的肌肉具有更高的致动应变，它们能够比热致肌肉膨胀更多。作者提出的理论模型揭示了如何设计可以使肌肉更具表现力。

    文章来源：sciencedaily，原文题目：Strong carbon fiber artificial muscles can lift 12,600 times their own weight

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