微型机器人的小型砖块肌肉来自木材

木材是瑞典和德国研究人员开发的破砖微型机器人肌肉材料的来源。这种材料是一种专门开发的水凝胶，在低于1伏的电子脉冲控制下，可以根据需要变形、膨胀和收缩。

机器人技术只是该材料的一种潜在用途，该材料由木材中提取的纤维素纳米纤维(CNF)制成。该技术还为医药和生化生产提供了可能性。

KTH皇家理工学院的研究人员在《先进材料》杂志上报告了这一结果。

英国皇家理工学院纤维技术部研究员托比亚斯·本塞尔特(TobiasBenselfelt)表示，与通过加压空气或液体的力量膨胀的机器人肌肉不同，这些水凝胶由于电化学脉冲驱动的水运动而膨胀。

该材料的关键成分是水、作为导体的碳纳米管以及源自木浆的纤维素纳米纤维。虽然该材料是水凝胶，但当它与碳纳米纤维结合时，它看起来像塑料条。

该材料的强度来自于纳米纤维在同一方向上的取向，就像木纹一样。“纳米纤维水凝胶在单轴上单轴膨胀，产生高压，”本塞尔费尔特说。“一块15x15厘米的碎片可以举起一辆2吨重的汽车。”

通过在水凝胶中添加导电碳纳米管，可以通过电子方式控制材料的膨胀，从而形成研究人员所说的电化学渗透水凝胶致动器。

在一块高15毫米、厚9毫米的小砖上测试六片水凝胶肌肉材料(每片40微米厚)。事情是这样的。图片来源：KTH皇家理工学院

这项研究的合著者、KTH教授马克斯·哈米迪(MaxHamedi)表示，该项目的灵感来自于植物的生长方式。

“想想植物有多坚强，”哈米迪说。“树木可以在我们施加的相同力的作用下在人行道上生长——我们只是通过电子方式控制该力。”

Benselfelt说：“这项研究的一个令人兴奋的方面是，材料的孔隙率可以通过电子方式控制。”孔隙率可以增加高达400%，这使得这些水凝胶成为电可调膜的理想材料，用于原位分离或分布分子或药物。

这种精确控制的膨胀也使材料能够施加足够的力来打破小砖块，研究人员在他们的研究中证明了这一点。但目前，研究人员预计它们的用途仅限于微流体中的阀门或开关等小型设备。哈米迪说：“目前，它们是薄片状的，这限制了它们作为大型机器人的人造肌肉的用途。”

展望未来，一种可能的机器人应用可能是水下机器人。本塞尔费尔特说，由于水凝胶不能被水压压缩，因此它们可以在很深的地方使用。

“总的来说，这是向栩栩如生的软机器迈出的一步。然而，这个愿景还很遥远，”他说。

该技术的另一个好处是制造成本相对较低。该团队继续优化材料、3D打印电子肌肉，并研究如何将其扩展以用于商业用途。

该研究是在KTH皇家理工学院和数字纤维素中心进行的，参与人员包括马克斯·普朗克智能系统研究所、林雪平大学和布伦瑞克工业大学的合作者。