Konstgjorda muskler utvecklade för att lyfta föremål som är 4 400 gånger tyngre än sin egen vikt

(Dan Tri) – Forskare har skapat en ny typ av artificiell muskel som är både flexibel och stark nog att lyfta tunga föremål, vilket öppnar en ny era för mjuka robotar och bärbara enheter.

Ny forskning: Humanoida robotar kan lyfta föremål som är 4 000 gånger tyngre än deras kroppsvikt (Illustration: livescience).

För första gången har forskare framgångsrikt löst det svåra problemet med att balansera flexibilitet och styrka i designen av konstgjorda muskler. De banbrytande forskningsresultaten publicerades i tidskriften Advanced Functional Materials den 7 september.

Professor Hoon Eui Jeong, expert på maskinteknik vid Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST) och huvudförfattare till studien, betonade: "Denna forskning har övervunnit den grundläggande begränsningen hos konventionella artificiella muskler, som bara kan vara mycket töjbara men svaga, eller starka men styva. Vårt kompositmaterial kan göra båda, vilket öppnar dörren för mer flexibla mjuka robotar, bärbara enheter och intuitiva människa-maskin-gränssnitt."

Konstgjorda muskler begränsas ofta av sin flexibilitet eller styvhet. De måste vara töjbara samtidigt som de ger tillräcklig kraft, annars kommer deras aktivitetstäthet att vara begränsad. Mjuka konstgjorda muskler är dock uppskattade för sin variation på grund av sin låga vikt, mekaniska anpassningsförmåga och förmåga att överföra multidirektionella (rörelse-) aktuatorer.

Arbetstäthet, eller mängden energi per volymenhet en muskel kan leverera, är en stor utmaning för konstgjorda muskler. Att uppnå höga värden tillsammans med hög kontraktilitet är ett mål som forskare alltid strävar efter.

Den nya artificiella muskeln beskrivs som en "högpresterande magnetisk kompositaktuator", en komplex kemisk kombination av polymerer som är bundna samman för att efterlikna musklernas drag- och släppkrafter. En av dessa polymerer kan variera i styvhet och är inbäddad i en matris som innehåller magnetiska mikropartiklar på sin yta, vilka också kan kontrolleras. Detta gör att muskeln kan aktiveras och kontrolleras, vilket producerar rörelse.

Den nya designen innehåller två distinkta tvärbindningsmekanismer: ett kovalent kemiskt nätverk (två eller fler atomer delar elektroner för att uppnå en mer stabil konfiguration) och ett reversibelt fysiskt interaktionsnätverk. Dessa två mekanismer ger muskeln styrkan att prestera över tid.

Balansen mellan styvhet och elasticitet löses effektivt genom den dubbelt tvärbundna arkitekturen. Det fysiska nätverket förstärks ytterligare genom att en typ av mikropartikel (NdFeB) införlivas på den mekaniska ytan, vilken kan funktionaliseras ytterligare via en färglös vätska (oktadecyltriklorsilan). Dessa partiklar är dispergerade i hela polymermatrisen.

Den syntetiska muskeln stelnar under tunga belastningar och mjuknar när den behöver dra ihop sig. I sitt stela tillstånd kan den konstgjorda muskeln, som bara väger 1,13 gram, tåla en vikt på upp till 5 kilogram, eller cirka 4 400 gånger sin egen vikt.

Forskarna säger att mänskliga muskler kontraherar vid cirka 40 % spänning, men den syntetiska muskeln nådde 86,4 % spänning – dubbelt så mycket som mänskliga muskler. Detta möjliggjorde en arbetsdensitet på 1 150 kilojoule per kubikmeter – 30 gånger högre än vad mänsklig vävnad är kapabel till.

Teamet utförde enaxiella dragtester för att mäta styrkan hos den artificiella muskeln genom att applicera en dragkraft på ett föremål tills det gick sönder för att hitta den maximala draghållfastheten.

Experter säger att detta genombrott öppnar upp möjligheter för många områden, från mjuk robotik och medicinsk rehabilitering till smarta bärbara enheter och gränssnitt mellan människa och maskin.

Med förmågan att vara både flexibel och kraftfull kan den nya generationen av artificiella muskler hjälpa robotar att röra sig mer graciöst, samtidigt som de exakt stöder mänskliga rörelser i sofistikerade biomedicinska och industriella tillämpningar.

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