伍倫貢大學(xué)(UOW)的研究人員模仿了DNA的超螺旋特性，開發(fā)了一種新型人工肌肉，用于微型機(jī)器人的應(yīng)用。他們的研究昨日發(fā)表在《科學(xué)機(jī)器人》(Science Robotics)雜志上。
機(jī)器人技術(shù)的小型化(比如為遠(yuǎn)程機(jī)器人手術(shù)開發(fā)微型工具)面臨的挑戰(zhàn)之一，是傳統(tǒng)的機(jī)械驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(或“驅(qū)動(dòng)器”)很難在不損失性能的情況下縮小體積。
該研究的第一作者，來自UOW澳大利亞創(chuàng)新材料研究所的杰弗里·斯平克斯(Geoffrey Spinks)教授說，人工肌肉可以產(chǎn)生巨大的可逆運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)高機(jī)械功輸出，反應(yīng)迅速，持續(xù)數(shù)百萬次循環(huán)，是微型機(jī)器的理想選擇。
“電動(dòng)機(jī)太復(fù)雜了，無法縮小，所以我們希望人工肌肉能夠提供緊湊的機(jī)械驅(qū)動(dòng)?！彼赋觯骸拔⑿腿嗽旒∪怅嚵锌梢杂脕碇圃煜冗M(jìn)的假肢和可穿戴設(shè)備，幫助人們?cè)谏眢w殘疾或受傷時(shí)行動(dòng)。微型驅(qū)動(dòng)器還可以用于非侵入性手術(shù)和工業(yè)上的微型機(jī)械手。”
這種新型人造肌肉的靈感來自大自然。為了將DNA“打包”塞進(jìn)細(xì)胞核，DNA必須收縮1000倍以上，這在一定程度上是通過一種叫做“超級(jí)螺旋”(supercoiling)的過程實(shí)現(xiàn)的。
斯平克斯教授說:“我們的工作描述了一種新型人工肌肉，它模仿了DNA分子擠進(jìn)細(xì)胞核時(shí)瓦解的方式?！?/FONT>
研究團(tuán)隊(duì)通過建模優(yōu)化和膨脹了扭曲的纖維，以最大限度地提高行程和工作輸出，并縮小了纖維的尺寸以減少其響應(yīng)時(shí)間。然后，他們成功地對(duì)新肌肉的可能應(yīng)用進(jìn)行了試驗(yàn)，包括“微型剪刀”和“微型鑷子”。
據(jù)悉，其機(jī)械驅(qū)動(dòng)響應(yīng)時(shí)間縮短了90%，最大重量功比骨骼肌高36倍。
合著者、目前在悉尼大學(xué)的Sina Naficy博士說:“觀察自然界發(fā)生的事情，并能夠在合成系統(tǒng)中模仿這些行為是非常有趣的。我們已經(jīng)知道，在纖維纏繞成螺旋狀的地方形成纖維復(fù)合材料提供了一種方便的方法來存儲(chǔ)和釋放機(jī)械能。自然界中有很多這種螺旋復(fù)合材料的例子，從DNA分子到植物卷須。這些系統(tǒng)為未來的發(fā)展提供了令人興奮的前景?！?/FONT>
該研究論文的另一位合著者、UOW工程與信息科學(xué)學(xué)院的Javad Foroughi博士表示，新肌肉的活動(dòng)相當(dāng)緩慢，目前限制了它們的應(yīng)用，所以下一個(gè)挑戰(zhàn)是加快反應(yīng)速度。Foroughi博士說:“我們已經(jīng)使用水凝膠來產(chǎn)生體積變化，從而驅(qū)動(dòng)超級(jí)盤繞，但這種反應(yīng)天生就很慢。”
參考來源：https://techxplore.com/news/2021-04-scientists-artificial-muscle-dna-supercoiling.html
論文鏈接：
http://robotics.sciencemag.org/lookup/doi/10.1126/scirobotics.abf4788
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