인간의 근육을 가장할 수 있는 나노구조 섬유

인간의 근육을 가장할 수 있는 나노구조 섬유
날짜:
2022년 6월 3일
원천:
텍사스 오스틴 대학교
요약:
연구원들은 오늘날 존재하는 다른 옵션보다 여러 면에서 근육 작동기처럼 작동할 수 있는 새로운 유형의 섬유를 만들었습니다. 그리고 가장 중요한 것은 이러한 근육과 같은 섬유는 쉽게 만들고 재활용할 수 있다는 것입니다.

인체 모방, 특히 근육 운동을 제어하는 ​​액추에이터는 전 세계적으로 엄청난 관심을 받고 있습니다. 최근 몇 년 동안 로봇 공학, 의수 등을 개선하기 위한 많은 혁신이 이루어졌지만 이러한 액추에이터를 만드는 것은 일반적으로 비싸고 찾기 어려운 재료를 사용하는 복잡한 프로세스를 포함합니다.

오스틴에 있는 텍사스 대학과 펜실베니아 주립 대학의 연구원들은 오늘날 존재하는 다른 옵션보다 여러 면에서 근육 작동기처럼 작동할 수 있는 새로운 유형의 섬유를 만들었습니다. 그리고 가장 중요한 것은 이러한 근육과 같은 섬유는 쉽게 만들고 재활용할 수 있다는 것입니다.

네이처 나노( Nature Nano ) 에 발표된 새로운 논문에서 연구원들은 다른 프로젝트에서 처음에 발견한 이 섬유가 오늘날 존재하는 것보다 더 효율적이고 유연하며 증가된 변형을 처리할 수 있음을 보여주었습니다. 이 섬유는 의학 및 로봇 공학을 포함하여 다양한 방식으로 사용될 수 있습니다.

동료인 Manish Kumar는 "기계 모터를 사용하는 대신 자극에 반응하고 전력을 반환하는 로봇에서 기본적으로 이러한 섬유로 팔다리를 만들 수 있습니다. 그러면 더 부드러운 터치를 가질 수 있기 때문에 좋습니다."라고 말했습니다. Cockrell School of Engineering의 토목, 건축 및 환경 공학과 교수이자 이 논문의 주 저자 중 한 명입니다.

이러한 종류의 로봇 팔은 팔이 약한 사람들이 움직임과 힘을 회복하도록 돕기 위해 보조 외골격에 사용될 수 있습니다. 연구자들은 또 다른 잠재적인 응용이 일종의 "자동 폐쇄 붕대"가 될 수 있으며 이는 수술 절차에 사용될 수 있고 상처가 치유되면 신체 내부에서 자연적으로 분해될 수 있다고 말합니다.

펜실베이니아 주립대 재료과학 및 공학 조교수이자 교신저자인 로버트 히키(Robert Hickey)는 "액추에이터는 수축, 굽힘 또는 팽창하는 기계 부품과 같이 외부 자극에 따라 변경되거나 변형되는 모든 재료"라고 말했습니다. . "로봇과 같은 기술의 경우 기본적으로 인공 근육으로 작용할 수 있는 부드럽고 가벼운 버전의 재료를 개발해야 합니다. 우리의 작업은 실제로 이를 수행하는 새로운 방법을 찾는 것입니다."

섬유 재료는 블록 공중합체로 알려져 있습니다. 그것을 만들려면 폴리머를 용매에 넣은 다음 물을 추가하기만 하면 됩니다. 폴리머의 한 부분은 친수성(물에 끌림)이고 다른 부분은 소수성(물에 대한 내성)입니다. 폴리머 그룹의 소수성 부분이 함께 물로부터 자신을 보호하여 섬유 구조를 만듭니다.

유사한 기존 섬유는 부품을 함께 결합하는 반응을 자극하기 위해 전류가 필요합니다. 이 화학적 가교는 기계적 반응인 연구원의 새로운 섬유에 비해 일어나기가 더 어렵습니다. 이는 부품이 대부분의 작업을 스스로 처리한다는 것을 의미합니다. 또 다른 추가 보너스는 프로세스를 역전시켜 섬유 조각을 원래 상태로 되돌리는 것이 간단하다는 것입니다.

Kumar는 "폴리머에서 이러한 섬유를 만드는 용이성과 재활용 가능성이 매우 중요하며 다른 복잡한 인공 근육 연구의 많은 부분이 다루지 않는 측면입니다."라고 말했습니다.

연구원들은 그들의 섬유가 에너지를 움직임으로 변환하는 측면에서 75% 더 효율적이고 80% 더 많은 변형을 처리할 수 있으며 현재 작동기보다 더 빠른 속도와 힘으로 회전할 수 있다는 것을 발견했습니다. 그리고 부러지기 전에 길이의 900% 이상까지 늘어날 수 있습니다.

이 발견은 연구원들이 다른 것을 연구하던 중에 이루어졌습니다. 그들은 이 폴리머를 사용하여 물 여과용 막을 만들려고 했습니다. 그러나 그들이 만든 구조는 멤브레인에 비해 너무 길었습니다. 그들은 원래 길이의 5배까지 뻗어 그 길이를 유지했습니다. 연구원들은 이러한 특성이 근육 조직과 유사하다는 것을 알아차리고 초점을 이동하기로 결정했습니다.

연구원들은 프로젝트의 초기 단계에 있으며 다음에는 폴리머의 구조적 변화에 대해 더 많이 배우고 에너지 밀도 및 속도를 포함한 일부 작동 특성을 개선할 계획입니다. 그들은 또한 이 동일한 설계 기술을 사용하여 빛과 같은 다양한 자극에 반응하는 액추에이터를 만들 수 있습니다.