人造肌肉或?qū)槲磥?lái)的軟機(jī)器人和可穿戴設(shè)備提供動(dòng)力。但為了設(shè)計(jì)和制造新設(shè)備，需要更多地了解這些強(qiáng)大結(jié)構(gòu)的基本機(jī)制?，F(xiàn)在，哈佛大學(xué)約翰·A·保爾森工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院(SEAS)的科學(xué)家們，發(fā)現(xiàn)了人造肌肉纖維的一些基本物理特性。

Lola England de Valpine應(yīng)用數(shù)學(xué)、組織和進(jìn)化生物學(xué)以及物理學(xué)教授L.Mahadevan說(shuō)：可以很容易地拉伸、彎曲、扭曲或剪切的細(xì)絲能夠產(chǎn)生極大的變形，產(chǎn)生結(jié)狀、辮狀或環(huán)狀結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)可以很容易地存儲(chǔ)或釋放能量。

現(xiàn)在許多實(shí)驗(yàn)小組利用這一點(diǎn)來(lái)創(chuàng)造出典型的人造肌肉纖維，但在這個(gè)過(guò)程中，這些細(xì)長(zhǎng)纖維的拓?fù)?、幾何和力學(xué)是如何結(jié)合在一起的，研究并不完全清楚。本研究解釋了這些形狀轉(zhuǎn)換背后的理論原理，并揭示了潛在的設(shè)計(jì)原則。數(shù)學(xué)博士生，也是該研究的第一作者尼古拉斯·查爾斯(Nicholas Charles)說(shuō)：軟纖維是肌肉的基本單位，可以用于從機(jī)器人到智能紡織品的任何東西，可以對(duì)熱或濕度等刺激做出反應(yīng)。如果我們能理解這個(gè)系統(tǒng)，可能性將是無(wú)窮的。

研究解釋了柔軟、強(qiáng)烈拉伸和扭曲的纖維的復(fù)雜形態(tài)，并為最佳設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)，其研究成果發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》期刊上。柔軟的纖維或長(zhǎng)絲可以拉伸、剪切、彎曲或扭曲。這些不同的動(dòng)作如何相互作用以形成結(jié)、辮子和螺旋線，這對(duì)軟執(zhí)行器的設(shè)計(jì)很重要。想象一下，盡可能地伸展和扭動(dòng)橡皮筋，隨著扭曲變得越來(lái)越緊，部分帶子將彈出平面，并開(kāi)始纏繞成一個(gè)線圈或結(jié)。這些正確形式的線圈和環(huán)路可以用來(lái)驅(qū)動(dòng)打結(jié)的纖維。研究人員發(fā)現(xiàn)，不同程度的拉伸和扭轉(zhuǎn)導(dǎo)致不同類(lèi)型的復(fù)雜非平面形狀。

同時(shí)表征了哪些形狀導(dǎo)致扭結(jié)的線圈，哪些導(dǎo)致緊密的線圈，以及哪種形狀導(dǎo)致兩者的混合，研究還發(fā)現(xiàn)預(yù)拉伸對(duì)于形成線圈很重要，因?yàn)檫@些形狀在拉伸下是最穩(wěn)定的，并且模擬了如何使用這種線圈來(lái)產(chǎn)生機(jī)械功。這項(xiàng)研究提供了一種簡(jiǎn)單的方法來(lái)預(yù)測(cè)柔軟長(zhǎng)絲將如何對(duì)扭曲和拉伸做出反應(yīng)。展望未來(lái)，該研究可能也適用于涉及纏繞細(xì)絲的其他情況，例如卷發(fā)、聚合物動(dòng)力學(xué)以及太陽(yáng)和其他恒星中磁力線的動(dòng)力學(xué)。

博科園｜研究/來(lái)自：哈佛大學(xué)約翰·保爾森工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院

參考期刊《物理評(píng)論快報(bào)》

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