Low-cost artificial muscle fibre fishes for applications / Muscolo artificiale a basso costo con fibra di nylon per pesci per applicazioni.
Researchers at the Massachusetts Institute of Technology have developed the cheapest and simplest artificial muscle fibre to date using nothing more than a standard nylon fishing line.
Fibre such as this could have applications in robotics, prosthetics or even in clothing that automatically adjusts to fit.
Nylon artificial muscle fibres appear to have a property that has so far eluded other artificial muscle fibres: they can reproduce the bending motion of fingers and limbs. Moreover, the fibre can do this alone, with no need for extra mechanical pulleys or wheels.
The key to the properties is the way the fibre is shaped and heated. In a paper in the journal Advanced Materials, Prof Ian Hunter and Seyed Mirvakili, a PhD student, describe how they found and developed the specific properties of nylon fibre. Previously, artificial muscle fibre research had used nylon in twisted and coiled filaments to mimic the basic linear activity of muscles; contracting and expanding in a straight line. The systems could not bend, however. Fibres capable of reproducing bending motion tend to use “exotic materials to do the job, and they are very difficult and very expensive to make,” Mirvakili said. These materials include carbon nanotubes fibres, which are too expensive for widespread use, and shape memory alloys, which break after relatively few expansion-contraction cycles.
Mirvakili’s discovery hinges on an unusual property of oriented nylon fibre: when heated, it shrinks in length but becomes wider. One problem with this, which has caused difficulties when using this property in the linear actuators, for example, is that nylon stores heat quite well and cools down slowly. “The cooling rate can be a limiting factor, but I realise it could be used to advantage,” said Mirvakili. If one side of the fibre is heated, it contracts on that side only, because the heat doesn’t have time to penetrate all the way through the fibre. The fibre therefore bends towards the heat source. “You need a combination of these properties,” he explained. “High strain (the pull of the shrinking motion) and low thermal conductivity.”
To harness this property, the fibre needs to be shaped. Fortunately, complex geometry is not needed; a square or rectangular cross-section will do, and this can be achieved by simply squashing a standard circular-diameter length of nylon fishing line. A variety of techniques can be used to heat the fibre on one side: these can include lasers, chemical reactions or electrical resistance heating, for example. One method the MIT team found successful was coating one side of the fibre with conductive paint and a resin binder and passing a current through it. These coated fibres can maintain the performance over 100,000 bending cycles, and can perform 17 cycles per second. Moreover, changing the direction of the heating can cause the fibre to move such that its end describes circles and figures of eight.
According to Prof Hunter, applications for this might include clothing that can adjust itself to fit, reducing the number of sizes that manufacturers would need to make, and self-tightening shoes. Less trivially, the fibre could be used in self adjusting catheters and biomedical devices, automotive panels that can change shape to improve aerodynamics, or systems to help solar panels track the sun using the sun’s heat to produce the movement. There are also applications in robotic grippers, microscopic tools, and machine components.
ITALIANO
I ricercatori del Massachusetts Institute of Technology hanno sviluppato la fibra muscolare artificiale più economica e più semplice fino ad oggi utilizzando nient'altro che una linea di pesca di nylon standard.
Fibre di questo tipo potrebbe avere applicazioni in robotica, protesi o anche in abiti perchè si regola automaticamente per adattarsi.
Le fibre muscolari artificiali di nylon sembrano avere una proprietà che finora ha eluso altre fibre muscolari artificiali: possono riprodurre il movimento di flessione delle dita e degli arti. Inoltre, la fibra può farlo da sola, senza necessità di pulegge meccanici supplementari o ruote.
La chiave per le proprietà è il modo in cui la fibra viene sagomata e riscaldata. In un articolo sulla rivista Advanced Materials, Prof. Ian Hunter e Seyed Mirvakili, uno studente di dottorato, descrivono come hanno trovato e sviluppato le proprietà specifiche di fibra di nylon. In precedenza, la ricerca delle fibre muscolari artificiali aveva usato nylon in filamenti intrecciati e arrotolati per imitare l'attività lineare di base dei muscoli; contrazione e l'espansione in linea retta. I sistemi non si potevano piegare, però. Le fibre in grado di riprodurre il movimento di flessione tendono ad usare "materiali esotici per fare il lavoro, e sono molto difficili e molto costosi da fare", ha detto Mirvakili. Questi materiali includono fibre in nanotubi di carbonio, che sono troppo costosi per un uso diffuso, e forma di leghe a memoria, che si rompono dopo relativamente pochi cicli di espansione-contrazione.
La scoperta delle cernier di Mirvakili si basa su una proprietà insolita di fibra di nylon orientata: quando viene riscaldata, si restringe in lunghezza, ma si allarga. Un problema da risolvere con questa caratteristica, che ha causato difficoltà quando si utilizza questa struttura di attuatori lineari, ad esempio, è che il nylon memorizza il calore piuttosto bene e si raffredda lentamente. "La velocità di raffreddamento può essere un fattore limitante, ma la sua realizzazione potrebbe essere utilizzata vantaggiosamente," detto Mirvakili. Se viene riscaldata da un lato della fibra, si contrae solo su quel lato, perché il calore non ha il tempo di penetrare tutto il percorso attraverso la fibra. La fibra si piega quindi verso la fonte di calore. "Hai bisogno di una combinazione di queste proprietà," ha spiegato. "Alta tensione (l'attrazione del moto di contrazione) e bassa conducibilità termica."
Per sfruttare questa proprietà, la fibra deve essere modellata. Fortunatamente, non è necessario una geometria complessa; una sezione trasversale quadrata o rettangolare sarà necessaria, e questo può essere realizzato semplicemente schiacciando un tratto circolare di diametro standard di cordino di nylon. Una varietà di tecniche può essere utilizzata per riscaldare la fibra su un lato: questi possono includere laser, reazioni chimiche o riscaldamento a resistenza elettrica, per esempio. Un metodo del gruppo del MIT che ha trovato successo era ottenuta rivestendo un lato della fibra con vernice conduttiva e un legante di resina e far passare una corrente attraverso di esso. Queste fibre rivestite possono mantenere le prestazioni oltre 100.000 cicli di curvatura, e possono eseguire 17 cicli al secondo. Inoltre, cambiando la direzione del riscaldamento la fibra può causare uno spostamento tale che la sua estremità descrive cerchi e figure di otto.
Secondo il prof Hunter, applicazioni per questo fenomeno possono includere abbigliamenti che possono adattarsi, riducendo il numero di formati che i produttori avrebbero bisogno di realizzare, e le scarpe auto-serraggio. Meno banalmente, la fibra potrebbe essere utilizzata in cateteri a regolazione automatica e dispositivi biomedici, pannelli automobilistici che possono cambiare forma per migliorare l'aerodinamica, ovvero sistemi per aiutare i pannelli solari a seguire il sole utilizzando il calore del sole per produrre il movimento. Ci sono anche le applicazioni in robotica come pinze, strumenti microscopici, e componenti della macchina.
Da:
https://www.theengineer.co.uk/low-cost-artificial-muscle-fibre-fishes-for-applications/?cmpid=tenews_2839943
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