強韌且柔軟之人工肌肉材料

 

刊登日期:2022/9/5
  • 字級

美國加州大學洛杉磯分校(UCLA)與史丹佛研究院(SRI International)開發了一項比真實肌肉更強韌且柔軟之人工肌肉,可望利用於動作、性能更接近或優於人類之次世代機器人、穿戴式裝置、觸覺反饋元件(Haptic Devices)等應用開發。
 
人工肌肉材料即使受到伸展、收縮等較大變形仍必須發揮作用,且多次重複動作亦須維持其形狀或強度,因此一般多使用輕量且兼具適當強韌性與柔軟性之丙烯酸或矽基介電彈性體。然而,丙烯酸雖然抗變形,但須先經過拉伸製程,柔軟性較差。而矽基材料雖易於製造,但存有易大幅度變形的缺點。
 
有鑑於此,研究團隊利用市售的化學製品並將製程予以最佳化,進而開發出保留了丙烯酸樹脂的強度與耐用性,且具有容易彎曲、可調整、易於擴張等特性之「高性能介電彈性體(High-performance Dielectric Elastomers; PHDE)」薄膜。研究團隊利用材料中的氫鍵調整了應力-應變響應與黏彈性,藉由聚合物鏈之間的架橋使彈性體更為柔軟,並將薄膜夾在電極之間,使其發揮致動器(Actuator)之機能。
 
PHDE薄膜本身的厚度約為 35 μm,既薄且輕量。為了提高致動器的輸出功率,研究團隊另外開發了一項利用刮塗與UV硬化的方式可將薄膜高度多層化的乾式積層法,進而製作出由4~50層均一的PHDE薄膜組成之人工肌肉,不僅具有強大的抗彎曲力、抗衝擊力,在發揮MPa級力量的同時,柔軟性是真實肌肉的3~10倍。
 
在PHDE致動器的實證實驗中,研究團隊成功讓一個直徑約1.2 cm的水母形機器人進行跳躍,亦可讓一個重量約為致動器20倍的球發射出去。而致動器在電壓開關之際的伸縮樣貌就如同橫膈膜般,由此亦可一窺人工肌肉的未來。
 

分享