“人造肌肉”收缩性能的实验探究

孙宇伽，周　凯，车广顺，龚佳敏，于雪晴，孙迎春

(东北师范大学 物理学院，吉林 长春 130024)



“人造肌肉”收缩性能的实验探究

孙宇伽，周凯，车广顺，龚佳敏，于雪晴，孙迎春

(东北师范大学 物理学院，吉林 长春 130024)

摘要：利用尼龙鱼线丝制作了8种不同参量的“人造肌肉”，实验探究了尼龙丝直径、制作时负载、加热温度等条件对“人造肌肉”收缩率的影响，并从理论上解释了“人造肌肉”加热收缩的原因. 实验结果表明：温度一定时，选用的鱼线直径越粗，肌肉加热收缩率越大；选用材料一定时，存在最优负载使得肌肉收缩率最大. 理论说明在温度升高时，体系的熵增大，导致外力作用减小，使得系统的伸长量减小，体系收缩.

关键词：尼龙丝；人造肌肉；收缩；IYPT

2015年国际青年物理学家竞赛(IYPT)的第3题是探究“人造肌肉”收缩的性能. 原题为：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]. 中文翻译为：将多聚物钓鱼线固定在电钻上并使其绷紧，当钻头扭转时，钓鱼线纤维会形成像弹簧一样排列的牢固的线圈，对此线圈加热使其定型，则成为弹簧一样的形状，当再次加热时，线圈会收缩，请探究该“人造肌肉”.

20世纪50年代“人造肌肉”就已经引起人们的注意，但最近20年才有较大的进展. “人造肌肉”在一些方面与生物肌肉相似，为人们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过程中将内能转化为肌肉拉伸收缩的动能，从而完成指定动作. 在一定的外加条件下，“人造肌肉”的内在结构发生改变，从而呈现出伸缩、弯曲、束紧或膨胀等状态，可实现生物肌肉的多种功能. 根据制作材料的不同，“人造肌肉”的种类也不同. 骨骼肌是生物肌肉的重要组成成分[3]，是由肌细胞组成的具有不同收缩与代谢特征的肌纤维构成[4]，传统“人造肌肉”利用氨基酸组建成成分类似于人的肌纤维，具有弹性，且能随环境温度和化学成分(如pH值)的变化而伸缩. 但这种生物材料制作工序繁杂且成本极高，不适合大规模生产. 近年来科学家发现价格低廉的尼龙丝材料(聚酰胺纤维)也可以仿制“人造肌肉”，并且仿生性能比生物材质的更好，因此有望广泛应用于机器人制作、生物医学等领域，有不可忽视的商业价值[5-6].

本文利用尼龙(聚酰胺纤维)钓鱼线制作了“人造肌肉”， 采用控制变量法研究了鱼线直径、制作负载、加热温度等因素对“人造肌肉”收缩性能的影响，并从理论上解释了“人造肌肉”收缩的原因.

1实验研究

1.1“人造肌肉”的制作

实验仪器：绕线机(飞跃牌NZ-5，鄞州飞跃电动工具厂)、荧光显微镜(OLYMPUS DP27，上海普赫光电科技有限公司)、2种鱼线(直径分别为0.26 mm和0.45 mm)、砝码、钢直尺(量程0～30 cm)及其他辅助用品，装置如图1所示.

图2显示的是制作过程中鱼线的明显变化. 其中，中间节点左侧为直径0.45 mm的鱼线原丝，右侧即为制作成型的螺旋状“人造肌肉”样品.

在相同条件下制作了长度约为7 cm的“人造肌肉”样品共8种，制作条件和结果见表1，成品实物见图3. 表1中，φ为鱼线直径，m为负载质量，φ′为螺旋状样品直径，a为螺旋状样品螺距.

图1　“人造肌肉”制作装置示意图

图2　鱼线缠绕成螺旋状“人造肌肉”

样品ϕ/mmm/gϕ'/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

图3　“人造肌肉”成品实物

采用荧光显微镜观察原丝和8个成品，从微观图(图4～6)可见制作的“肌肉纤维”均匀性好，排列紧密，可用于进一步探究其性能.

(a)d=0.26 mm,50×　　　(b)d=0.45 mm,50×

(c)d=0.26 mm,100×　　(d)d=0.45 mm,100×图4　荧光显微镜下的原丝

(a)样品A　　　　　　　(b)样品B

(c)样品C　　　　　　　(d)样品D

(e)样品E　　　　　　　(f)样品F

(g)样品G　　　　　　　(h)样品H图5　荧光显微镜下的成品(50×)

(a)样品A　　　　　　　(b)样品B

(c)样品C　　　　　　　(d)样品D

(e)样品E　　　　　　　(f)样品F

(g)样品G　　　　　　　(h)样品H图6　荧光显微镜下的成品(100×)

1.2“人造肌肉”收缩性能的实验探究

如图7所示，采用手持热风枪(TGK德至高HG6618，加热范围为50～650 ℃，劲浩伟业五金工具)、钢直尺(量程0～30 cm)、铁架台等搭建“人造肌肉”收缩性能研究装置. 用热风枪对“人造肌肉”进行加热，用钢直尺测量样品的形变长度，测试负载选用标准砝码.

图7　探究“人造肌肉”受热收缩性能装置示意图

1.2.1制作负载对“人造肌肉”收缩性能的影响

选取尼龙原丝直径均为0.26 mm但制作负载不同制成的“人造肌肉”样品C～H为研究对象，测试负载为80 g的砝码，加热温度为140 ℃，在控制热源离样品距离为10 cm的情况下进行实验，结果见表2.

表2　不同样品的收缩长度及收缩率

结果表明，制作负载大小与肌肉的收缩率不呈线性关系． 当负载质量小于140 g时，“人造肌肉”的收缩率随负载的增加而增加；当负载等于140 g时，“人造肌肉”的收缩率达最大值；当负载大于140 g时，再增加负载，则“人造肌肉”的收缩率减小. 其原因为负载较小时，“人造肌肉”比较松弛，收缩效果不好，随着负载的增加而变得紧密，但是负载增加到一定量后，“人造肌肉”没有足够大的收缩空间而达到了收缩极限，从而影响收缩. 因此在外界条件一定时，存在最优负载使肌肉的收缩性能达到最好，这与C. S. Haines等人的研究结果是吻合的[7].

1.2.2鱼线直径及加热温度对肌肉收缩率的影响

选取直径为0.45 mm和0.26 mm尼龙原丝制作负载相同制成的“人造肌肉”样品A和B为研究对象，在控制热源离肌肉距离为10 cm，测试负载为180 g，加热温度分别为140，160，180，200，220 ℃条件下测试，测试结果见表3，由实验数据作图见图8. 结果表明：对于同一条“人造肌肉”，其收缩率随温度升高呈现逐渐增大趋势；在相同的加热温度情况下,直径大的鱼线制成的“人造肌肉”收缩率高于直径小的. 图8中2种样品的总体变化趋势都是逐渐增加，只是斜率不同且在160 ℃时变化趋势上的差距较大. 根据阅读相关文献[2-3,5]和观察实验现象，做如下猜想：2个“人造肌肉”样品的原材料尼龙鱼线的直径相差较大，捻绕制作成的螺旋状“人造肌肉”的直径和螺距也有一定的差异，相应地承受高温的能力也有所不同. 在实验中发现：在开始加热时“人造肌肉”的收缩是不稳定的，且有时会有拉伸的情况，当温度高于玻璃化转变温度时再次加热会出现较为稳定的热力学收缩性能. 160 ℃时可能尼龙原丝d=0.26 mm的“人造肌肉”样品并没有达到较为稳定的热力学状态，随着温度继续升高逐渐达到稳定的热力学状态，呈现稳定的收缩特性.

表3　在不同温度下样品A和B的收缩长度(负载为180 g)

图8　加热温度对样品A和B收缩率的影响

2“人造肌肉”收缩性能的理论解释

2.1尼龙的力学性能

尼龙的化学名称为聚酰胺纤维，是分子主链上含有重复酰胺基团—[NHCO]—的热塑性树脂总称，属于高分子材料. 根据分子链的排列规则度，可将其结构分为晶区和非晶区. 晶区是指高分子链完全排列成晶格结构的区域，且有固定熔点不易滑动，力学性质相对稳定；非晶区是指高分子链杂乱缠绕的区域，可相互滑动，分子间相互作用不强，可分为玻璃态和高弹态，且随着温度的转变，2种状态可以相互转化. 在玻璃态，整条高分子链及链段的运动都被冻结，只在它们固定位置的附近作有限振动；在高弹态，链段的运动完全自由，但不能整条高分子链发生运动，在力学性能上呈现出高聚物特有的高弹性. 此实验中主要是非晶区起着主导作用. 尼龙丝在高温下之所以能够随温度有所响应是由于在温度升高的过程中非晶区从玻璃态转换到高弹态，使之具有高弹性. 高弹性具有可逆弹性形变大、高弹模量小且受温度影响等特点. 尼龙材料正是由于这种特殊的高弹性能才能够随着温度变化有一定的响应长度，适合成为制作“人造肌肉”的材料.

2.2高弹态高弹性的热力学分析

图9　高弹态高弹性物体热力学分析示意图

高弹性本质上是一种熵弹性，而一般材料的普弹性则是能量弹性[8]. 如图9所示，l0为材料原长，f为拉力，dl为材料的形变量(形变取单向拉伸形式)，dU为体系内能变化，dQ为系统吸收热量,dW为体系对外做的总功，对于熵弹性在等压条件下的情况，由热力学第一定律有：

dU=dQ-dW,

(1)

由热力学第二定律有

dQ=TdS,

(2)

其中，dW不仅包括材料体积改变做的功pdV, 还包括力f拉伸材料时所做的功fdl，即

dW=pdV-fdl.

(3)

由式(1)～(3)可得：

dU=TdS+fdl-pdV.

(4)

又由热力学理论[9]可知，在等压条件下吉布斯自由能G为

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

(5)

即

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

Vdp-SdT+fdl.

(6)

变换函数关系，则

(7)

在等压且等温条件下(dp=0,dT=0)，有

dG=fdl,

(8)

即外力做功等于体系自由能的增加，则熵变为

(9)

即在p和l不变时，外力f随温度的变化反映了试样伸长时熵的改变，而焓变由(7)式可得

(10)

则

或

(11)

(11)式表明:外力f增加了体系的焓并且减小了体系的熵. 在温度升高时，体系的熵增大，导致外力f的作用减小，使得系统的伸长量减小，体系收缩[10].

3结果与讨论

本实验利用尼龙钓鱼线制作了“人造肌肉”，实验探究了鱼线直径、制作时负载质量及加热温度对“人造肌肉”收缩率的影响，并从理论上解释了“人造肌肉”收缩的原因. 实验表明：用鱼线捻绕制成的线圈经过加热定型后可以得到“人造肌肉”，而“人造肌肉”的加热收缩性能与制作材料鱼线的直径、制作过程中所用负载的质量及加热温度有一定的依赖关系. 在本实验条件下，温度一定时，选用的鱼线直径越粗，肌肉加热收缩率越大；选用材料一定时，存在最优负载使得肌肉收缩率最大. 理论说明在温度升高时，体系的熵增大，导致外力f的作用减小，使得系统的伸长量减小，体系收缩. 这与实验中各样品随着温度升高而收缩的现象相符. 在实验中发现加热收缩后的“人造肌肉”温度降低后并没有恢复原来的长度，说明了在加热处理的过程中“人造肌肉”发生的是范性形变[11].

本实验的的误差主要来源于两方面：一是实验时采用的是毫米刻度的钢直尺，读数时会因精确程度不够产生误差；二是在收缩过程中会受到空气阻力的影响产生一定的误差.

鱼线螺旋制成的“人造肌肉”拥有较强的收缩性能，为此，可以应用这个特点来研制随着温度变化而做出响应的材料. 发展高技术的关键在于创造出新材料、研制出新工艺[12]. 若将工程学原理与生物学更深层地结合在一起，生物机械体的设计将会更加完美，相信在不久的将来，这种“人造肌肉”将会广泛地应用于医疗、军事等领域.

参考文献：

[1]http://kit.ilyam.org/SD_2015_IYPT_Reference_kit.pdf [EB/OL].

[2]赵淳生，杨淋. 人造肌肉及其在未来微特电机中的应用[J]. 微特电机，2006，34(10)：1-3.

[3]耿忠江. 骨骼肌衍射及测量肌节长度[J]. 物理实验，1992,12(5):211-212.

[4]李伯江，李平华，吴望军，等. 骨骼肌肌纤维形成机制的研究进展[J]. 中国农业科学，2014,47(6)：1200-1207.

[5]罗会祥. 神奇的人造肌肉[J]. 中国高校科技与产业化，2004(1)：30.

[6]马恺，李华，张晗，等. 三步法制备ZnO花状微结构疏水性薄膜[J]. 物理实验，2008,28(9)：9-14.

[7]Haines C S, Lima M D, Li N, et al. Artificial muscles from fishing line and sewing thread [J]. Science, 2014,343(6173):868-872.

[8]何平笙. 新编高聚物的结构与性能[M]. 北京:科学出版社,2009:217-221.

[9]汪志诚. 热力学·统计物理[M]. 北京：高等教育出版社，2013:51-52.

[10]吴楚旻. 橡皮筋热缩性质的定量表示及应用[J]. 物理实验，2014,34(6)：7-11.

[11]窦林. 探究橡皮泥的弹性形变实验[J]. 物理实验，2012,32(8)：19-20.

[12]赵凯华. 物理与技术的关系[J]. 中国物理学会通讯，1995(2)：1-3.

[责任编辑：任德香]

收稿日期：2016-04-19；修改日期：2016-05-24

作者简介：孙宇伽(1996-)，女，吉林桦甸人，东北师范大学物理学院2013级本科生. 通讯作者：孙迎春(1961-)，女，吉林长春人，东北师范大学物理学院教授，博士，主要从事生物物理、理论物理和物理实验教学研究.

中图分类号：O551.3

文献标识码：A

文章编号：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

项目资助：吉林省教育厅大学物理实验精品课资助；东北师范大学大学物理实验精品课资助；东北师范大学“东师教育教学扶持计划”项目(No.15B1XZJ015；No.15B2XZJ001)