Теперь исследователи из Гарварда Джон А. Школа инженерии и прикладных наук Полсона (SEAS) раскрыла некоторые фундаментальные физические свойства искусственных мышечных волокон.
«Тонкие мягкие нити, которые могут легко растягиваться, сгибаться, скручиваться или срезаться, способны к экстремальным деформациям, которые приводят к образованию узловых, плетеных или петлевых структур, которые могут легко накапливать или выделять энергию», – сказал Л. Махадеван, профессор прикладной математики, органической и эволюционной биологии и физики из Лолы Ингланд де Вальпине. "Это было недавно использовано рядом экспериментальных групп для создания прототипов искусственных мышечных волокон.
Но как топология, геометрия и механика этих тонких волокон объединяются во время этого процесса, было не совсем ясно. Наше исследование объясняет теоретические принципы, лежащие в основе этих преобразований формы, и проливает свет на основные принципы проектирования."
«Мягкие волокна – это основная единица мышцы, и их можно использовать во всем, от робототехники до умных тканей, которые могут реагировать на раздражители, такие как тепло или влажность», – сказал Николас Чарльз, аспирант прикладной математики и первый автор статьи. "Возможности безграничны, если мы сможем понять систему.
Наша работа объясняет сложную морфологию мягких, сильно растянутых и скрученных волокон и предоставляет рекомендации для лучших дизайнов."
Исследование опубликовано в Physical Review Letters.
Мягкие волокна или нити можно растягивать, разрезать, сгибать или скручивать. То, как эти различные действия взаимодействуют с образованием узлов, кос и спиралей, важно для конструкции мягких приводов.
Представьте, что вы как можно туже растягиваете и скручиваете резиновую ленту. По мере того, как скручивание становится все туже и туже, часть ленты выскочит из плоскости и начнет скручиваться вокруг себя в спираль или узел. Эти катушки и петли в правильной форме можно использовать для приведения в действие узловатого волокна.
Исследователи обнаружили, что разные уровни растяжения и скручивания приводят к разным типам сложных неплоских форм.
Они охарактеризовали, какие формы приводят к изогнутым петлям, какие – к тугим виткам, а какие – к смеси двух. Они обнаружили, что предварительное растяжение важно для формирования катушек, поскольку эти формы являются наиболее стабильными при растяжении, и смоделировали, как такие катушки можно использовать для выполнения механической работы.
«Это исследование дает нам простой способ предсказать, как мягкие волокна будут реагировать на скручивание и растяжение», – сказал Чарльз.
«В дальнейшем наша работа может быть актуальна и в других ситуациях, связанных с запутанными нитями, такими как локоны волос, динамика полимеров и динамика силовых линий магнитного поля на Солнце и других звездах», – сказал Махадеван.
Соавтором этого исследования является Маттиа Газзола, доцент кафедры механических наук и инженерии Университета Иллинойса и бывший член группы.
Частично он поддержан Национальным научным фондом.