Автор AZoNano 29 января 2021 г.

Более 15 лет исследователи из Техасского университета в Далласе и их сотрудники в США, Австралии, Южной Корее и Китае изготавливали искусственные мышцы, скручивая и скручивая углеродные нанотрубки или полимерные нити. При тепловом воздействии эти мышцы активизируются, сокращая свою длину при нагревании и возвращаясь к исходной длине при охлаждении. Однако такие искусственные мышцы с тепловым приводом имеют ограничения.

Электрохимически управляемые мышцы из углеродных нанотрубок (УНТ) представляют собой альтернативный подход для удовлетворения растущей потребности в быстрых, мощных искусственных мышцах с большим ходом для различных применений, от робототехники и сердечных насосов до изменяющейся одежды.

«Мышцы с электрохимическим приводом особенно перспективны, поскольку их эффективность преобразования энергии не ограничивается термодинамическим пределом теплового двигателя тепловых мышц, и они могут выдерживать большие сократительные движения, поддерживая тяжелые нагрузки, не потребляя значительных затрат энергии, "сказал д-р Рэй Боуман, заслуженный председатель кафедры химии Роберта А. Уэлча и директор Института нанотехнологий Алана Дж. Мак-Диармида в Далласе. «Напротив, человеческим мышцам и мышцам, приводимым в действие теплом, требуется большое количество входной энергии для поддержки тяжелых нагрузок, даже если они не выполняют механическую работу».

В исследовании, опубликованном 28 января в Интернете в журнале Science исследователи описывают создание мощных, униполярных мышц с электрохимической пряжей, которые сокращаются сильнее при более быстром движении, тем самым решая важные проблемы, ограничивавшие возможности их применения. мышцы.

Мышцы из пряжи УНТ с электрохимическим приводом приводятся в действие за счет приложения напряжения между мышцей и противоэлектродом, которое перемещает ионы из окружающего электролита в мышцу.

Но есть ограничения на электрохимические мышцы CNT. Во-первых, мышечное срабатывание биполярно, что означает, что движение мышцы – расширение или сокращение – меняет направление во время сканирования потенциала. Потенциал, при котором ход переключает направление, является потенциалом нулевого заряда, а скорость, с которой потенциал изменяется во времени, – это скорость сканирования потенциала.

Другая проблема: данный электролит стабилен только в определенном диапазоне напряжений. За пределами этого диапазона электролит разрушается.

«Предыдущие мышцы пряжи не могут использовать весь диапазон стабильности электролита», – сказал Боуман, автор исследования. «Кроме того, емкость мышцы – ее способность накапливать заряд, необходимый для приведения в действие – уменьшается с увеличением скорости сканирования потенциала, в результате чего ход мышцы резко уменьшается с увеличением частоты приведения в действие».

Чтобы решить эти проблемы, исследователи обнаружили, что внутренние поверхности свернутых в спираль углеродных нанотрубок могут быть покрыты подходящим ионопроводящим полимером, который содержит положительно или отрицательно заряженные химические группы.

«Это полимерное покрытие преобразует нормальное биполярное срабатывание нитей углеродных нанотрубок в униполярное срабатывание, при котором мышца действует в одном направлении во всем диапазоне стабильности электролита», – сказал Боуман. «Это долгожданное поведение имеет удивительные последствия, которые делают мышцы из электрохимических углеродных нанотрубок намного быстрее и мощнее».

Докторант химии Чжун Ван, соавтор исследования, объяснил основную науку: «Диполярное поле полимера сдвигает потенциал нулевого заряда – именно здесь изменяется заряд электронов на нанотрубках. знак – за пределы диапазона стабильности электролита. Следовательно, ионы только одного знака вводятся электрохимически, чтобы компенсировать этот электронный заряд, и ход мышцы изменяется в одном направлении во всем диапазоне сканирования потенциала. "

Д-р. Джиуке Му, доцент Далласского института нанотехнологий UT и соавтор, сказал, что полимерное покрытие помогает решить проблему емкости электрохимических мышц пряжи.

« Число молекул растворителя, закачиваемых в мышцу каждым ионом, увеличивается с увеличением скорости сканирования потенциала для некоторых униполярных мышц, что увеличивает эффективный размер ионов, управляющих срабатыванием», Му сказал. « Таким образом, ход мышц может увеличиваться в 3,8 раза с увеличением скорости сканирования потенциала, в то время как ход мышц из углеродных нанотрубок без полимерного покрытия уменьшается в 4,2 раза при тех же изменениях скорости сканирования потенциала» [.

Достижения обеспечивают электрохимические униполярные мышцы, которые сокращаются для выработки максимальной средней выходной механической мощности на мышечный вес 2,9 Вт / грамм, что примерно в 10 раз превышает типичную способность мышц человека и примерно в 2,2 раза превышает нормированную по весу мощность мощности дизельный двигатель V-8 с турбонаддувом.

Полимерное покрытие, использованное для получения этих результатов, представляло собой поли (4-стиролсульфонат натрия), который одобрен для использования в качестве лекарственных препаратов и достаточно недорогой для использования при умягчении воды. Включение этого полимерного гостя позволило практическую работу мускула из углеродных нанотрубок от высоких температур до минус 30 градусов Цельсия.

Ван сказал, что команда также обнаружила, что униполярное поведение без ударов с увеличенной скоростью сканирования может быть получено, когда нанопластинки оксида графена были включены в мышцу пряжи с использованием процесса бискроллинга, который исследователи UT Даллас создали и запатентовали.

«Использование этого гостя для создания диполярных полей, необходимых для униполярного поведения, увеличило максимальную среднюю сократительную выходную механическую мощность мышцы до удивительных 8,2 Вт / грамм, что в 29 раз превышает максимальную способность того же веса. человеческая мускулатура и примерно в 6,2 раза больше, чем у дизельного двигателя V-8 с турбонаддувом », – сказал Ван.

«Мы также обнаружили, что два разных типа мускулов из однополярной пряжи, каждый с движениями с увеличенной скоростью сканирования, могут быть объединены в двухэлектродную полностью твердотельную пряжу, тем самым устраняя необходимость для ванны с жидким электролитом ", – сказал Ван. «Твердотельный электролит используется для бокового соединения двух спиральных нитей из углеродных нанотрубок, которые содержат разные полимерные гости, одна из которых имеет отрицательно заряженные заместители, а другая – положительно заряженные. Обе нити сжимаются во время зарядки, чтобы аддитивно способствовать срабатыванию из-за впрыска положительных и отрицательных ионов, соответственно. Эти униполярные мышцы с двумя электродами были сотканы для изготовления активирующих тканей, которые можно было использовать для преобразования одежды ».

Изобретатели подали заявку на предварительный патент США на эту технологию.

Помимо Баумана, Ванга и Му, авторами исследования, в настоящее время связанными с UT Dallas, являются доктор Шаоли Фанг, доцент-исследователь, и доктор Джиён О, научный сотрудник, оба из Института нанотехнологий; Доктор Кёнджэ Чо, профессор материаловедения и инженерии; Доктор Стивен Нильсен, доцент химии; и докторанты Патрик Конлин в области материаловедения и инженерии и Кевин Альберто по химии

Помимо Баумана, авторами-корреспондентами являются доктор Цзяннин Дин из Университета Цзянсу и доктор Цзиньсон Ленг из Харбинского технологического института. Первый автор, доктор Хетао Чу, в настоящее время работает в Сычуаньском университете

Среди других авторов – Иллинойский университет в Урбана-Шампейн, Университет Чанчжоу, Университет Ханян, Сеульский национальный университет, Университет Дикин, Университет Вуллонгонг, Opus 12 и MilliporeSigma.

Исследования в США были поддержаны Управлением научных исследований ВВС США, Фондом Велча и Независимыми микророботическими платформами ближнего действия (SHRIMP) Агентства перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США.

Источник: https://www.utdallas.edu/