Para peneliti dari Illinois yang bekerja pada otot buatan berhasil merancang otot yang mampu mengangkat hingga 12.600 kali berat badan mereka sendiri.
Sameh Tawfick bersama tim MechSE Illinois, baru-baru ini menerbitkan sebuah studi tentang cara merancang otot buatan super kuat dalam jurnal Smart Material and Structures.
Otot buatan terbaru ini terbuat dari karet siloxane yang diperkuat serat karbon yang memiliki geometri melingkar. Otot-otot ini tidak hanya mampu mengangkat hingga 12.600 kali beratnya sendiri, tetapi juga mendukung tekanan mekanis hingga 60 MPa, memberikan stroke tarik lebih tinggi dari 25% dan pekerjaan spesifik hingga 758 J / kg. Jumlah ini 18 kali lebih banyak daripada yang bisa diproduksi oleh otot-otot alami.
Ketika digerakkan secara elektrik, otot buatan berbasis serat karbon menunjukkan kinerja yang sangat baik tanpa memerlukan tegangan input yang tinggi: penulis menunjukkan bagaimana bundel otot berdiameter 0,4 mm mampu mengangkat setengah galon air sebesar 1,4 inci dengan hanya menerapkan tegangan 0,172 V / cm .
“Rentang aplikasi dari otot buatan berbiaya rendah dan ringan ini sangat luas dan melibatkan berbagai bidang seperti robotika, prostetik, orthotics, dan alat bantu manusia,” kata Lamuta.
“Model matematika yang kami usulkan adalah desain alat yang berguna untuk menyesuaikan kinerja otot-otot buatan melingkar sesuai dengan aplikasi yang berbeda. Selanjutnya, model memberikan pemahaman yang jelas tentang semua parameter yang memainkan peran penting dalam mekanisme aktuasi, dan ini mendorong penelitian di masa depan bekerja menuju pengembangan tipologi baru serat – diperkuat otot-otot melingkar dengan sifat yang disempurnakan. ”
Otot buatan sendiri adalah gulungan yang terdiri dari serat karbon komersial dan polydimethylsiloxane (PDMS). Derek serat karbon pada awalnya dicelupkan ke PDR yang tidak diawetkan kemudian dilarutkan dengan heksana dan dipelintir dengan bor sederhana untuk membuat benang dengan bentuk yang homogen dan radius yang konstan. Setelah pengasapan PDMS, benang komposit yang telah lurus diputar secara kuat sampai sepenuhnya tergulung.
“Otot melingkar ditemukan baru-baru ini menggunakan benang nilon,“ kata Tawfick. “Mereka dapat menggunakan gerakan aktuasi besar, yang membuatnya sangat berguna untuk aplikasi pada perangkat bantu manusia: jika saja mereka bisa dibuat jauh lebih kuat.”
Tim menetapkan target transformasi serat karbon, bahan ringan yang sangat kuat yang siap tersedia secara komersial, menjadi otot buatan.
“Untuk menggunakan serat karbon, kami harus memahami mekanisme kontraksi dari otot-otot melingkar. Setelah kami mengungkap sebuah teori, kami belajar bagaimana mengubah serat karbon menjadi otot yang sangat kuat. Kami hanya mengisi tali serat karbon dengan karet silikon yang sesuai, dan kinerjanya sangat mengesankan, tepatnya apa yang kami tuju,” kata Tawfick.
Studi ini menunjukkan bahwa kontraksi otot disebabkan oleh peningkatan jari-jari benang otot karena ekspansi termal atau penyerapan pelarut dari pengajuan silikon. “Otot-otot melenturkan ketika karet silikon secara lokal mendorong serabut-serabut terpisah di dalam tali, dengan menerapkan tegangan, panas atau pembengkakan oleh suatu pelarut. Tekanan internal yang diberikan dari karet silikon ke serat membuat diameter tarikan mengembang dan mengurai menyebabkan stroke kontraksi di sepanjang jarak. ”
Selama karakterisasi eksperimental, tegangan DC diterapkan ke ujung kumparan untuk menginduksi pemanasan komposit dan pada gilirannya menyebabkan aktuasi tarik. Ujung atas kumparan tidak bergerak, sementara beban yang melekat pada bagian bawah untuk menciptakan ketegangan. Stroke tarik diambil oleh kamera film, dan dianalisis bingkai demi bingkai. Aktuasi tarik juga diinduksi melalui pembengkakan melalui heksana cair dikirim ke otot melingkar.
Bisakah otot-otot ini lebih fleksibel, mencapai stroke yang lebih besar? Kesepakatan dekat antara prediksi matematika dan realisasi eksperimental memberikan keyakinan dalam menjawab pertanyaan ini.
Tim menemukan bahwa gerakan tarik dari otot melingkar buatan dapat dibatasi oleh kemampuan bahan pendatang (silikon) untuk memperluas – batas yang dikenakan oleh sifat degradasi termal dari bahan dari pendatang. Ini menjelaskan mengapa otot digerakkan oleh pembengkakan memiliki strain aktuasi yang lebih tinggi, mereka mampu membengkak lebih dari otot yang diinduksi panas. Model teoritis yang diusulkan oleh penulis menyoroti bagaimana merancang materi pendatang yang dapat memungkinkan otot dengan kinerja yang lebih mengesankan.
