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本周，國(guó)際學(xué)術(shù)頂刊《科學(xué)》旗下子刊《科學(xué)·機(jī)器人學(xué)》刊登的文章提到，澳洲臥龍崗大學(xué)（UOW）科學(xué)家在DNA超螺旋的啟發(fā)下開發(fā)了一種新型人造肌肉，用于微型機(jī)器人應(yīng)用。
微型人造肌肉可以用來制造先進(jìn)的假肢和可穿戴設(shè)備，幫助受傷或身體殘疾的人行動(dòng)。此外，也可以用于無創(chuàng)手術(shù)工具和工業(yè)微型機(jī)械手。
論文題目為《受DNA超螺旋啟發(fā)的雙高行程和高工作能力人造肌肉（Dual high-strokeand high–work capacity artificial muscles inspired by DNA supercoiling）》。
▍百萬周期性運(yùn)動(dòng)，為微型機(jī)器人提供強(qiáng)大動(dòng)能
微型機(jī)器人的主要技術(shù)挑戰(zhàn)在于如何在小型設(shè)備上產(chǎn)生強(qiáng)大的運(yùn)動(dòng)和力量，而人造肌肉可以解決這一問題。
研究的主要作者、UOW澳大利亞創(chuàng)新材料研究所的杰弗里·斯賓克斯（Geoffrey Spinks）教授說道：“使用模擬骨骼肌的驅(qū)動(dòng)材料為微型機(jī)器人提供動(dòng)力很有吸引力，但它們太復(fù)雜了，無法輕易縮小尺寸。因此，我們期待人造肌肉來為機(jī)器人提供良好的機(jī)械驅(qū)動(dòng)。”
斯平克斯教授介紹道，人造肌肉支持大幅度動(dòng)作且易于復(fù)原，機(jī)械工作高效，可以持續(xù)數(shù)百萬個(gè)周期，非常適合微型機(jī)器。
▍靈感來自DNA，超螺旋收縮自如
新型人造肌肉的靈感來自DNA。
斯賓克斯教授說：“我們的新型人造肌肉正是模仿DNA分子收縮到細(xì)胞核中時(shí)的方式。”
DNA是最堅(jiān)硬和最長(zhǎng)的天然聚合物之一，當(dāng)要進(jìn)入微米大小的細(xì)胞核中時(shí)，厘米大小的DNA必須收縮1000倍以上，通過超螺旋過程減小體積。
“我們能夠通過膨脹扭曲的纖維來制造類似DNA般的纏繞。當(dāng)纖維末端因旋轉(zhuǎn)而堵塞時(shí)，就會(huì)發(fā)生超螺旋。超螺旋下，人工肌肉產(chǎn)生了大量機(jī)械能。”
聚丙烯酸纖維超螺旋過程
研究小組通過建模對(duì)纖維進(jìn)行了優(yōu)化，縮小了纖維的尺寸以減少其響應(yīng)時(shí)間，從而最大限度地提高速率和能量輸出。
然后，他們成功地將這些新肌肉用于可能的應(yīng)用，包括微型剪刀和微型鑷子。
聚酯-聚酰胺復(fù)合纖維中螺旋形成超螺旋的過程
▍反應(yīng)速度提升后，人造肌肉應(yīng)用場(chǎng)景更豐富
就職于悉尼大學(xué)合著者之一西納·納菲奇（Sina Naficy）博士說：“模仿自然界中的行為是非常有趣的。我們已經(jīng)了解到，形成纖維復(fù)合材料的纖維纏繞成螺旋提供了一個(gè)方便的方式來存儲(chǔ)和釋放機(jī)械能。自然界中有許多這樣的螺旋復(fù)合物，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。”
這篇研究論文的另一位合著者、UOW工程與信息科學(xué)學(xué)院的賈瓦德·福洛伊（Javad Foroughi）博士說：“新人造肌肉的作用相當(dāng)緩慢，限制了它的應(yīng)用場(chǎng)景，因此我們下一個(gè)目標(biāo)是加快反應(yīng)速度。”研究團(tuán)隊(duì)已使用水凝膠來推動(dòng)超螺旋的體積變化。
聚酯-聚酰胺復(fù)合纖維中螺旋解除超螺旋的過程
斯賓克斯教授說：“我們確實(shí)相信，制造直徑更小的纖維可以提高速度，但目前，這種應(yīng)用僅限于那些需要較慢響應(yīng)的纖維。”“開發(fā)更快的超螺旋肌肉將開辟進(jìn)一步的應(yīng)用領(lǐng)域。我們希望其他人將探索不同的方法來產(chǎn)生體積變化，例如通過電加熱導(dǎo)致更快的響應(yīng)。”
▍結(jié)語：新型人造肌肉應(yīng)用場(chǎng)景更為廣泛
DNA超螺旋啟發(fā)下的人造肌肉具有高彈性，行為非常接近真正的肌肉纖維，不僅對(duì)醫(yī)學(xué)具有重大意義，而且對(duì)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展也至關(guān)重要。
隨著特殊聚合體材料和智能材料的不斷研發(fā)，人造肌肉的伸縮、彎曲、扭動(dòng)、收縮等狀態(tài)將更為靈活，在醫(yī)學(xué)、機(jī)器人學(xué)等領(lǐng)域發(fā)揮更大效能。
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