Kunstmatige spieren ontwikkeld om voorwerpen op te tillen die 4.400 keer zwaarder zijn dan hun eigen gewicht

(Dan Tri) - Wetenschappers hebben een nieuw type kunstmatige spier ontwikkeld die zowel flexibel als sterk genoeg is om zware objecten op te tillen. Dit luidt een nieuw tijdperk in voor zachte robots en draagbare apparaten.

Nieuw onderzoek: Humanoïde robots kunnen objecten tillen die 4.000 keer zwaarder zijn dan hun eigen lichaamsgewicht (Illustratie: livescience).

Voor het eerst hebben wetenschappers met succes het lastige probleem opgelost van het in evenwicht brengen van flexibiliteit en kracht in het ontwerp van kunstmatige spieren. De baanbrekende onderzoeksresultaten werden op 7 september gepubliceerd in het tijdschrift Advanced Functional Materials.

Professor Hoon Eui Jeong, expert werktuigbouwkunde aan het Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST) en hoofdauteur van de studie, benadrukte: "Dit onderzoek heeft de fundamentele beperking van conventionele kunstmatige spieren overwonnen, die alleen zeer rekbaar maar zwak, of sterk maar stijf kunnen zijn. Ons composietmateriaal kan beide, wat de deur opent naar flexibelere zachte robots, draagbare apparaten en intuïtieve mens-machine-interfaces."

Kunstmatige spieren worden vaak beperkt door hun flexibiliteit of stijfheid. Ze moeten rekbaar zijn en toch voldoende kracht leveren, anders wordt hun activiteitsdichtheid beperkt. Zachte kunstmatige spieren worden echter gewaardeerd om hun variabiliteit vanwege hun lichte gewicht, mechanische aanpasbaarheid en het vermogen om multidirectionele (bewegings)actoren over te brengen.

De werkdichtheid, oftewel de hoeveelheid energie per volume-eenheid die een spier kan leveren, is een grote uitdaging voor kunstmatige spieren. Het bereiken van hoge waarden in combinatie met een hoge contractiliteit is een doel waar wetenschappers altijd naar streven.

De nieuwe kunstmatige spier wordt omschreven als een "hoogwaardige magnetische composiet actuator", een complexe chemische combinatie van polymeren die aan elkaar zijn verbonden om de trek- en loslaatkrachten van spieren na te bootsen. Eén van deze polymeren kan in stijfheid variëren en is ingebed in een matrix met magnetische microdeeltjes op het oppervlak, die ook bestuurd kunnen worden. Hierdoor kan de spier worden geactiveerd en bestuurd, wat beweging oplevert.

Het nieuwe ontwerp maakt gebruik van twee verschillende crosslinkingmechanismen: een covalent chemisch netwerk (twee of meer atomen delen elektronen om een ​​stabielere configuratie te bereiken) en een reversibel fysiek interactienetwerk. Deze twee mechanismen voorzien de spier van de kracht om langdurig te presteren.

De balans tussen stijfheid en elasticiteit wordt effectief opgelost door de dubbel gecrosslinkte architectuur. Het fysieke netwerk wordt verder versterkt door de integratie van een type microdeeltje (NdFeB) op het mechanische oppervlak, dat verder kan worden gefunctionaliseerd met behulp van een kleurloze vloeistof (octadecyltrichloorsilaan). Deze deeltjes zijn verspreid over de polymeermatrix.

De kunstmatige spier verstijft onder zware belasting en verzacht wanneer hij moet samentrekken. In stijve toestand kan de kunstmatige spier, die slechts 1,13 gram weegt, een gewicht tot 5 kilogram dragen, oftewel ongeveer 4400 keer zijn eigen gewicht.

De onderzoekers stellen dat menselijke spieren samentrekken bij ongeveer 40% spanning, maar de synthetische spier bereikte 86,4% spanning – twee keer zoveel als menselijke spieren. Dit maakte een werkdichtheid van 1150 kilojoule per kubieke meter mogelijk – 30 keer hoger dan wat menselijk weefsel aankan.

Het team voerde uniaxiale trekproeven uit om de sterkte van de kunstmatige spier te meten. Door trekkracht op een voorwerp uit te oefenen totdat het brak, kon de maximale treksterkte worden bepaald.

Volgens experts opent deze doorbraak perspectieven voor veel vakgebieden, van zachte robotica en medische revalidatie tot slimme draagbare apparaten en mens-machine-interfaces.

De nieuwe generatie kunstmatige spieren is flexibel en krachtig, waardoor robots zich sierlijker kunnen bewegen. Tegelijkertijd kunnen ze menselijke bewegingen nauwkeuriger ondersteunen in geavanceerde biomedische en industriële toepassingen.

Bron: https://dantri.com.vn/khoa-hoc/phat-trien-co-nhan-tao-nang-vat-nang-gap-4400-lan-trong-luong-20251104053327548.htm