“人造肌肉”收縮性能的實(shí)驗(yàn)探究

孫宇伽，周　凱，車廣順，龔佳敏，于雪晴，孫迎春

(東北師范大學(xué) 物理學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130024)

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“人造肌肉”收縮性能的實(shí)驗(yàn)探究

孫宇伽，周凱，車廣順，龔佳敏，于雪晴，孫迎春

(東北師范大學(xué) 物理學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130024)

摘要：利用尼龍魚線絲制作了8種不同參量的“人造肌肉”，實(shí)驗(yàn)探究了尼龍絲直徑、制作時(shí)負(fù)載、加熱溫度等條件對(duì)“人造肌肉”收縮率的影響，并從理論上解釋了“人造肌肉”加熱收縮的原因. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：溫度一定時(shí)，選用的魚線直徑越粗，肌肉加熱收縮率越大；選用材料一定時(shí)，存在最優(yōu)負(fù)載使得肌肉收縮率最大. 理論說明在溫度升高時(shí)，體系的熵增大，導(dǎo)致外力作用減小，使得系統(tǒng)的伸長(zhǎng)量減小，體系收縮.

關(guān)鍵詞：尼龍絲；人造肌肉；收縮；IYPT

2015年國(guó)際青年物理學(xué)家競(jìng)賽(IYPT)的第3題是探究“人造肌肉”收縮的性能. 原題為：Attach a polymer fishing line to an electric drill and apply tension to the line. As it twists, the fibre will form tight coils in a spring-like arrangement. Apply heat to the coils to permanently fix that spring-like shape. When you apply heat again, the coil will contract. Investigate this “artificial muscle”[1]. 中文翻譯為：將多聚物釣魚線固定在電鉆上并使其繃緊，當(dāng)鉆頭扭轉(zhuǎn)時(shí)，釣魚線纖維會(huì)形成像彈簧一樣排列的牢固的線圈，對(duì)此線圈加熱使其定型，則成為彈簧一樣的形狀，當(dāng)再次加熱時(shí)，線圈會(huì)收縮，請(qǐng)?zhí)骄吭摗叭嗽旒∪狻?

20世紀(jì)50年代“人造肌肉”就已經(jīng)引起人們的注意，但最近20年才有較大的進(jìn)展. “人造肌肉”在一些方面與生物肌肉相似，為人們制造具有肌肉性能的工具提供了可能性[2]. “人造肌肉”的工作原理都是在肌肉工作過程中將內(nèi)能轉(zhuǎn)化為肌肉拉伸收縮的動(dòng)能，從而完成指定動(dòng)作. 在一定的外加條件下，“人造肌肉”的內(nèi)在結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，從而呈現(xiàn)出伸縮、彎曲、束緊或膨脹等狀態(tài)，可實(shí)現(xiàn)生物肌肉的多種功能. 根據(jù)制作材料的不同，“人造肌肉”的種類也不同. 骨骼肌是生物肌肉的重要組成成分[3]，是由肌細(xì)胞組成的具有不同收縮與代謝特征的肌纖維構(gòu)成[4]，傳統(tǒng)“人造肌肉”利用氨基酸組建成成分類似于人的肌纖維，具有彈性，且能隨環(huán)境溫度和化學(xué)成分(如pH值)的變化而伸縮. 但這種生物材料制作工序繁雜且成本極高，不適合大規(guī)模生產(chǎn). 近年來科學(xué)家發(fā)現(xiàn)價(jià)格低廉的尼龍絲材料(聚酰胺纖維)也可以仿制“人造肌肉”，并且仿生性能比生物材質(zhì)的更好，因此有望廣泛應(yīng)用于機(jī)器人制作、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域，有不可忽視的商業(yè)價(jià)值[5-6].

本文利用尼龍(聚酰胺纖維)釣魚線制作了“人造肌肉”， 采用控制變量法研究了魚線直徑、制作負(fù)載、加熱溫度等因素對(duì)“人造肌肉”收縮性能的影響，并從理論上解釋了“人造肌肉”收縮的原因.

1實(shí)驗(yàn)研究

1.1“人造肌肉”的制作

實(shí)驗(yàn)儀器：繞線機(jī)(飛躍牌NZ-5，鄞州飛躍電動(dòng)工具廠)、熒光顯微鏡(OLYMPUS DP27，上海普赫光電科技有限公司)、2種魚線(直徑分別為0.26 mm和0.45 mm)、砝碼、鋼直尺(量程0～30 cm)及其他輔助用品，裝置如圖1所示.

圖2顯示的是制作過程中魚線的明顯變化. 其中，中間節(jié)點(diǎn)左側(cè)為直徑0.45 mm的魚線原絲，右側(cè)即為制作成型的螺旋狀“人造肌肉”樣品.

在相同條件下制作了長(zhǎng)度約為7 cm的“人造肌肉”樣品共8種，制作條件和結(jié)果見表1，成品實(shí)物見圖3. 表1中，φ為魚線直徑，m為負(fù)載質(zhì)量，φ′為螺旋狀樣品直徑，a為螺旋狀樣品螺距.

圖1　“人造肌肉”制作裝置示意圖

圖2　魚線纏繞成螺旋狀“人造肌肉”

樣品?/mmm/g?'/mma/mmA0.45801.610.47B0.26800.960.32C0.261000.940.32D0.261200.890.32E0.261400.880.32F0.261600.870.32G0.261800.860.31H0.262000.820.33

圖3　“人造肌肉”成品實(shí)物

采用熒光顯微鏡觀察原絲和8個(gè)成品，從微觀圖(圖4～6)可見制作的“肌肉纖維”均勻性好，排列緊密，可用于進(jìn)一步探究其性能.

(a)d=0.26 mm,50×　　　(b)d=0.45 mm,50×

(c)d=0.26 mm,100×　　(d)d=0.45 mm,100×圖4　熒光顯微鏡下的原絲

(a)樣品A　　　　　　　(b)樣品B

(c)樣品C　　　　　　　(d)樣品D

(e)樣品E　　　　　　　(f)樣品F

(g)樣品G　　　　　　　(h)樣品H圖5　熒光顯微鏡下的成品(50×)

(a)樣品A　　　　　　　(b)樣品B

(c)樣品C　　　　　　　(d)樣品D

(e)樣品E　　　　　　　(f)樣品F

(g)樣品G　　　　　　　(h)樣品H圖6　熒光顯微鏡下的成品(100×)

1.2“人造肌肉”收縮性能的實(shí)驗(yàn)探究

如圖7所示，采用手持熱風(fēng)槍(TGK德至高HG6618，加熱范圍為50～650 ℃，勁浩偉業(yè)五金工具)、鋼直尺(量程0～30 cm)、鐵架臺(tái)等搭建“人造肌肉”收縮性能研究裝置. 用熱風(fēng)槍對(duì)“人造肌肉”進(jìn)行加熱，用鋼直尺測(cè)量樣品的形變長(zhǎng)度，測(cè)試負(fù)載選用標(biāo)準(zhǔn)砝碼.

圖7　探究“人造肌肉”受熱收縮性能裝置示意圖

1.2.1制作負(fù)載對(duì)“人造肌肉”收縮性能的影響

選取尼龍?jiān)z直徑均為0.26 mm但制作負(fù)載不同制成的“人造肌肉”樣品C～H為研究對(duì)象，測(cè)試負(fù)載為80 g的砝碼，加熱溫度為140 ℃，在控制熱源離樣品距離為10 cm的情況下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見表2.

表2　不同樣品的收縮長(zhǎng)度及收縮率

結(jié)果表明，制作負(fù)載大小與肌肉的收縮率不呈線性關(guān)系． 當(dāng)負(fù)載質(zhì)量小于140 g時(shí)，“人造肌肉”的收縮率隨負(fù)載的增加而增加；當(dāng)負(fù)載等于140 g時(shí)，“人造肌肉”的收縮率達(dá)最大值；當(dāng)負(fù)載大于140 g時(shí)，再增加負(fù)載，則“人造肌肉”的收縮率減小. 其原因?yàn)樨?fù)載較小時(shí)，“人造肌肉”比較松弛，收縮效果不好，隨著負(fù)載的增加而變得緊密，但是負(fù)載增加到一定量后，“人造肌肉”沒有足夠大的收縮空間而達(dá)到了收縮極限，從而影響收縮. 因此在外界條件一定時(shí)，存在最優(yōu)負(fù)載使肌肉的收縮性能達(dá)到最好，這與C. S. Haines等人的研究結(jié)果是吻合的[7].

1.2.2魚線直徑及加熱溫度對(duì)肌肉收縮率的影響

選取直徑為0.45 mm和0.26 mm尼龍?jiān)z制作負(fù)載相同制成的“人造肌肉”樣品A和B為研究對(duì)象，在控制熱源離肌肉距離為10 cm，測(cè)試負(fù)載為180 g，加熱溫度分別為140，160，180，200，220 ℃條件下測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見表3，由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作圖見圖8. 結(jié)果表明：對(duì)于同一條“人造肌肉”，其收縮率隨溫度升高呈現(xiàn)逐漸增大趨勢(shì)；在相同的加熱溫度情況下,直徑大的魚線制成的“人造肌肉”收縮率高于直徑小的. 圖8中2種樣品的總體變化趨勢(shì)都是逐漸增加，只是斜率不同且在160 ℃時(shí)變化趨勢(shì)上的差距較大. 根據(jù)閱讀相關(guān)文獻(xiàn)[2-3,5]和觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，做如下猜想：2個(gè)“人造肌肉”樣品的原材料尼龍魚線的直徑相差較大，捻繞制作成的螺旋狀“人造肌肉”的直徑和螺距也有一定的差異，相應(yīng)地承受高溫的能力也有所不同. 在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)：在開始加熱時(shí)“人造肌肉”的收縮是不穩(wěn)定的，且有時(shí)會(huì)有拉伸的情況，當(dāng)溫度高于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度時(shí)再次加熱會(huì)出現(xiàn)較為穩(wěn)定的熱力學(xué)收縮性能. 160 ℃時(shí)可能尼龍?jiān)zd=0.26 mm的“人造肌肉”樣品并沒有達(dá)到較為穩(wěn)定的熱力學(xué)狀態(tài)，隨著溫度繼續(xù)升高逐漸達(dá)到穩(wěn)定的熱力學(xué)狀態(tài)，呈現(xiàn)穩(wěn)定的收縮特性.

表3　在不同溫度下樣品A和B的收縮長(zhǎng)度(負(fù)載為180 g)

圖8　加熱溫度對(duì)樣品A和B收縮率的影響

2“人造肌肉”收縮性能的理論解釋

2.1尼龍的力學(xué)性能

尼龍的化學(xué)名稱為聚酰胺纖維，是分子主鏈上含有重復(fù)酰胺基團(tuán)—[NHCO]—的熱塑性樹脂總稱，屬于高分子材料. 根據(jù)分子鏈的排列規(guī)則度，可將其結(jié)構(gòu)分為晶區(qū)和非晶區(qū). 晶區(qū)是指高分子鏈完全排列成晶格結(jié)構(gòu)的區(qū)域，且有固定熔點(diǎn)不易滑動(dòng)，力學(xué)性質(zhì)相對(duì)穩(wěn)定；非晶區(qū)是指高分子鏈雜亂纏繞的區(qū)域，可相互滑動(dòng)，分子間相互作用不強(qiáng)，可分為玻璃態(tài)和高彈態(tài)，且隨著溫度的轉(zhuǎn)變，2種狀態(tài)可以相互轉(zhuǎn)化. 在玻璃態(tài)，整條高分子鏈及鏈段的運(yùn)動(dòng)都被凍結(jié)，只在它們固定位置的附近作有限振動(dòng)；在高彈態(tài)，鏈段的運(yùn)動(dòng)完全自由，但不能整條高分子鏈發(fā)生運(yùn)動(dòng)，在力學(xué)性能上呈現(xiàn)出高聚物特有的高彈性. 此實(shí)驗(yàn)中主要是非晶區(qū)起著主導(dǎo)作用. 尼龍絲在高溫下之所以能夠隨溫度有所響應(yīng)是由于在溫度升高的過程中非晶區(qū)從玻璃態(tài)轉(zhuǎn)換到高彈態(tài)，使之具有高彈性. 高彈性具有可逆彈性形變大、高彈模量小且受溫度影響等特點(diǎn). 尼龍材料正是由于這種特殊的高彈性能才能夠隨著溫度變化有一定的響應(yīng)長(zhǎng)度，適合成為制作“人造肌肉”的材料.

2.2高彈態(tài)高彈性的熱力學(xué)分析

圖9　高彈態(tài)高彈性物體熱力學(xué)分析示意圖

高彈性本質(zhì)上是一種熵彈性，而一般材料的普彈性則是能量彈性[8]. 如圖9所示，l0為材料原長(zhǎng)，f為拉力，dl為材料的形變量(形變?nèi)蜗蚶煨问?，dU為體系內(nèi)能變化，dQ為系統(tǒng)吸收熱量,dW為體系對(duì)外做的總功，對(duì)于熵彈性在等壓條件下的情況，由熱力學(xué)第一定律有：

dU=dQ-dW,

(1)

由熱力學(xué)第二定律有

dQ=TdS,

(2)

其中，dW不僅包括材料體積改變做的功pdV, 還包括力f拉伸材料時(shí)所做的功fdl，即

dW=pdV-fdl.

(3)

由式(1)～(3)可得：

dU=TdS+fdl-pdV.

(4)

又由熱力學(xué)理論[9]可知，在等壓條件下吉布斯自由能G為

G=H-TS=U+pV-TS,

(5)

即

dG=dU+pdV+Vdp-TdS-SdT=

Vdp-SdT+fdl.

(6)

變換函數(shù)關(guān)系，則

(7)

在等壓且等溫條件下(dp=0,dT=0)，有

dG=fdl,

(8)

即外力做功等于體系自由能的增加，則熵變?yōu)?/p>

(9)

即在p和l不變時(shí)，外力f隨溫度的變化反映了試樣伸長(zhǎng)時(shí)熵的改變，而焓變由(7)式可得

(10)

則

或

(11)

(11)式表明:外力f增加了體系的焓并且減小了體系的熵. 在溫度升高時(shí)，體系的熵增大，導(dǎo)致外力f的作用減小，使得系統(tǒng)的伸長(zhǎng)量減小，體系收縮[10].

3結(jié)果與討論

本實(shí)驗(yàn)利用尼龍釣魚線制作了“人造肌肉”，實(shí)驗(yàn)探究了魚線直徑、制作時(shí)負(fù)載質(zhì)量及加熱溫度對(duì)“人造肌肉”收縮率的影響，并從理論上解釋了“人造肌肉”收縮的原因. 實(shí)驗(yàn)表明：用魚線捻繞制成的線圈經(jīng)過加熱定型后可以得到“人造肌肉”，而“人造肌肉”的加熱收縮性能與制作材料魚線的直徑、制作過程中所用負(fù)載的質(zhì)量及加熱溫度有一定的依賴關(guān)系. 在本實(shí)驗(yàn)條件下，溫度一定時(shí)，選用的魚線直徑越粗，肌肉加熱收縮率越大；選用材料一定時(shí)，存在最優(yōu)負(fù)載使得肌肉收縮率最大. 理論說明在溫度升高時(shí)，體系的熵增大，導(dǎo)致外力f的作用減小，使得系統(tǒng)的伸長(zhǎng)量減小，體系收縮. 這與實(shí)驗(yàn)中各樣品隨著溫度升高而收縮的現(xiàn)象相符. 在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)加熱收縮后的“人造肌肉”溫度降低后并沒有恢復(fù)原來的長(zhǎng)度，說明了在加熱處理的過程中“人造肌肉”發(fā)生的是范性形變[11].

本實(shí)驗(yàn)的的誤差主要來源于兩方面：一是實(shí)驗(yàn)時(shí)采用的是毫米刻度的鋼直尺，讀數(shù)時(shí)會(huì)因精確程度不夠產(chǎn)生誤差；二是在收縮過程中會(huì)受到空氣阻力的影響產(chǎn)生一定的誤差.

魚線螺旋制成的“人造肌肉”擁有較強(qiáng)的收縮性能，為此，可以應(yīng)用這個(gè)特點(diǎn)來研制隨著溫度變化而做出響應(yīng)的材料. 發(fā)展高技術(shù)的關(guān)鍵在于創(chuàng)造出新材料、研制出新工藝[12]. 若將工程學(xué)原理與生物學(xué)更深層地結(jié)合在一起，生物機(jī)械體的設(shè)計(jì)將會(huì)更加完美，相信在不久的將來，這種“人造肌肉”將會(huì)廣泛地應(yīng)用于醫(yī)療、軍事等領(lǐng)域.

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[責(zé)任編輯：任德香]

收稿日期：2016-04-19；修改日期：2016-05-24

作者簡(jiǎn)介：孫宇伽(1996-)，女，吉林樺甸人，東北師范大學(xué)物理學(xué)院2013級(jí)本科生. 通訊作者：孫迎春(1961-)，女，吉林長(zhǎng)春人，東北師范大學(xué)物理學(xué)院教授，博士，主要從事生物物理、理論物理和物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究.

中圖分類號(hào)：O551.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1005-4642(2016)07-0023-05

Contraction performance of artificial muscle

SUN Yu-jia, ZHOU Kai, CHE Guang-shun, GONG Jia-min, YU Xu-qing, SUN Ying-chun

(School of Physics, Northeast Normal University, Changchun 130024, China)

Abstract:Eight kinds of artificial muscles with different parameters were fabricated with polymer fishing line. The influences of the diameter of polymer fishing line, production load and heating temperature on the contraction percentage of the artificial muscles were studied, and the reason of the contraction was theoretically explained. The experimental results showed that at a certain temperature, the contraction percentage increased with the increase of the line diameter; for a certain material, there existed an optimal load to obtain the largest muscle contraction percentage. When temperature increased, the entropy of the system increased, therefor the external force reduced, elongation of the system reduced, the artificial muscle contracted.

Key words:polymer line; atrificial muscle; contraction; IYPT

項(xiàng)目資助：吉林省教育廳大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)精品課資助；東北師范大學(xué)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)精品課資助；東北師范大學(xué)“東師教育教學(xué)扶持計(jì)劃”項(xiàng)目(No.15B1XZJ015；No.15B2XZJ001)