人造肌肉登顶刊:模拟DNA超螺旋 机器人机械驱动更高效

昨日,国际学术顶刊《科学》旗下子刊《科学·机器人学》刊登的文章提到,澳洲卧龙岗大学(UOW)科学家在DNA超螺旋的启发下开发了一种新型人造肌肉,用于微型机器人应用。微型人造肌肉可以用来制造先进的假肢和可穿戴设备,帮助受伤或身体残疾的人行动。此外,也可以用于无创手术工具和工业微型机械手。

人造肌肉登顶刊:模拟DNA超螺旋 机器人机械驱动更高效

论文题目为《受DNA超螺旋启发的双高行程和高工作能力人造肌肉(Dual high-stroke and high–work capacity artificial muscles inspired by DNA supercoiling)》。

论文链接:

https://robotics.sciencemag.org/content/6/53/eabf4788

一、百万周期性运动,为微型机器人提供强大动能

微型机器人的主要技术挑战在于如何在小型设备上产生强大的运动和力量,而人造肌肉可以解决这一问题。

研究的主要作者、UOW澳大利亚创新材料研究所的杰弗里·斯宾克斯(Geoffrey Spinks)教授说道:“使用模拟骨骼肌的驱动材料为微型机器人提供动力很有吸引力,但它们太复杂了,无法轻易缩小尺寸。因此,我们期待人造肌肉来为机器人提供良好的机械驱动。”

斯平克斯教授介绍道,人造肌肉支持大幅度动作且易于复原,机械工作高效,可以持续数百万个周期,非常适合微型机器。

二、灵感来自DNA,超螺旋收缩自如

新型人造肌肉的灵感来自DNA。

斯宾克斯教授说:“我们的新型人造肌肉正是模仿DNA分子收缩到细胞核中时的方式。”

DNA是最坚硬和最长的天然聚合物之一,当要进入微米大小的细胞核中时,厘米大小的DNA必须收缩1000倍以上,通过超螺旋过程减小体积。

人造肌肉登顶刊:模拟DNA超螺旋 机器人机械驱动更高效

▲DNA效果图

“我们能够通过膨胀扭曲的纤维来制造类似DNA般的缠绕。当纤维末端因旋转而堵塞时,就会发生超螺旋。超螺旋下,人工肌肉产生了大量机械能。”

人造肌肉登顶刊:模拟DNA超螺旋 机器人机械驱动更高效

▲聚丙烯酸纤维超螺旋过程

研究小组通过建模对纤维进行了优化,缩小了纤维的尺寸以减少其响应时间,从而最大限度地提高速率和能量输出。

然后,他们成功地将这些新肌肉用于可能的应用,包括微型剪刀和微型镊子。

人造肌肉登顶刊:模拟DNA超螺旋 机器人机械驱动更高效

▲聚酯-聚酰胺复合纤维中螺旋形成超螺旋的过程

三、反应速度提升后,人造肌肉应用场景更丰富

就职于悉尼大学合著者之一西纳·纳菲奇(Sina Naficy)博士说:“模仿自然界中的行为是非常有趣的。我们已经了解到,形成纤维复合材料的纤维缠绕成螺旋提供了一个方便的方式来存储和释放机械能。自然界中有许多这样的螺旋复合物,从DNA分子到植物卷须。这些系统为未来的发展提供了令人兴奋的前景。”

这篇研究论文的另一位合著者、UOW工程与信息科学学院的贾瓦德·福洛伊(Javad Foroughi)博士说:“新人造肌肉的作用相当缓慢,限制了它的应用场景,因此我们下一个目标是加快反应速度。”研究团队已使用水凝胶来推动超螺旋的体积变化。

人造肌肉登顶刊:模拟DNA超螺旋 机器人机械驱动更高效

▲聚酯-聚酰胺复合纤维中螺旋解除超螺旋的过程

斯宾克斯教授说:“我们确实相信,制造直径更小的纤维可以提高速度,但目前,这种应用仅限于那些需要较慢响应的纤维。”“开发更快的超螺旋肌肉将开辟进一步的应用领域。我们希望其他人将探索不同的方法来产生体积变化,例如通过电加热导致更快的响应。”

结语:新型人造肌肉应用场景更为广泛

DNA超螺旋启发下的人造肌肉具有高弹性,行为非常接近真正的肌肉纤维,不仅对医学具有重大意义,而且对机器人技术的发展也至关重要。

随着特殊聚合体材料和智能材料的不断研发,人造肌肉的伸缩、弯曲、扭动、收缩等状态将更为灵活,在医学、机器人学等领域发挥更大效能。


头条 |深度 |投研 |行情