Décrit dans une étude publiée en ligne aujourd'hui dans la revue Science , les nouveaux muscles artificiels sont fabriqués en infiltrant un "invité" qui change de volume, " comme la cire de paraffine utilisée pour les bougies, en fil retors fait de nanotubes de carbone. Chauffage du fil fourré à la cire, soit électriquement, soit à l'aide d'un flash lumineux, fait gonfler la cire, le volume de fil à augmenter, et la longueur du fil à contracter.

La combinaison de l'augmentation du volume du fil et de la diminution de la longueur du fil résulte de la structure hélicoïdale produite par la torsion du fil. Un jouet manchette pour enfant, qui est conçu pour coincer les doigts d'une personne dans les deux extrémités d'un cylindre tissé en hélice, a une action analogue. Pour échapper à, il faut rapprocher les doigts, qui contracte la longueur du tube et augmente son volume et son diamètre.

"En raison de leur simplicité et de leurs hautes performances, ces muscles de fil pourraient être utilisés pour des applications aussi diverses que les robots, cathéters pour chirurgie mini-invasive, micromoteurs, mélangeurs pour circuits microfluidiques, systèmes optiques accordables, microvannes, positionneurs et même des jouets, " a déclaré Baughman.

La contraction musculaire – également appelée actionnement – ​​peut être ultrarapide, se produisant en 25 millièmes de seconde. Y compris les temps d'actionnement et d'inversion de l'actionnement, les chercheurs ont démontré une densité de puissance contractile de 4,2 kW/kg, ce qui est quatre fois le rapport poids/puissance des moteurs à combustion interne courants.

Pour atteindre ces résultats, les muscles des nanotubes de carbone remplis d'invités étaient fortement tordus pour produire un enroulement, comme avec l'enroulement d'un élastique d'un modèle réduit d'avion à élastique.

Lorsqu'il est libre de tourner, un fil rempli de cire se détend lorsqu'il est chauffé électriquement ou par une impulsion lumineuse. Cette rotation s'inverse lorsque le chauffage est arrêté et que le fil se refroidit. Une telle action de torsion du fil peut faire tourner une palette attachée à une vitesse moyenne de 11, 500 tours par minute pour plus de 2 millions de cycles réversibles. Livre par livre, le couple généré est légèrement supérieur à celui obtenu pour les gros moteurs électriques, dit Baughman.

Parce que les muscles du fil peuvent être torsadés ensemble et peuvent être tissés, cousu, tressé et noué, ils pourraient éventuellement être déployés dans une variété de matériaux et de textiles intelligents autoalimentés. Par exemple, les changements de température ambiante ou la présence d'agents chimiques peuvent modifier le volume des invités ; un tel actionnement pourrait modifier la porosité du textile pour offrir un confort thermique ou une protection chimique. De tels muscles de fil pourraient également être utilisés pour réguler une vanne de débit en réponse à des produits chimiques détectés, ou régler l'ouverture du store en fonction de la température ambiante.

Même sans l'ajout de matériel invité, les co-auteurs ont découvert que l'introduction de l'enroulement dans le fil de nanotubes multiplie par dix le coefficient de dilatation thermique du fil. Ce coefficient de dilatation thermique est négatif, ce qui signifie que le fil non chargé se contracte lorsqu'il est chauffé. Chauffage du fil en atmosphère inerte de la température ambiante à environ 2, 500 degrés Celsius ont fourni plus de 7 pour cent de contraction lors du levage de charges lourdes, indiquant que ces muscles peuvent être déployés à des températures de 1000 C au-dessus du point de fusion de l'acier, où aucun autre actionneur à haute capacité de travail ne peut survivre.

"Cette dilatation thermique fortement amplifiée pour les fils enroulés indique qu'ils peuvent être utilisés comme matériaux intelligents pour la régulation de la température entre 50 C en dessous de zéro et 2, 500°C, " a déclaré le Dr Márcio Lima, associé de recherche au NanoTech Institute de l'UT Dallas, co-auteur principal du Science article avec l'étudiant diplômé Na Li de l'Université de Nankai et du NanoTech Institute.

"La performance remarquable de notre muscle de fil et notre capacité actuelle à fabriquer des fils de longueur kilométrique suggèrent la faisabilité d'une commercialisation précoce sous forme de petits actionneurs comprenant une longueur de fil à l'échelle centimétrique, " a déclaré Baughman. " Le défi le plus difficile consiste à transformer nos actionneurs à fil unique en actionneurs de grande taille dans lesquels des centaines ou des milliers de muscles de fil individuels fonctionnent en parallèle. "