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Enabling High-Performance Artificial Muscles via a High Strength Fiber Reinforcement Strategy
Advanced Materials Technologies ( IF 6.4 ) Pub Date : 2023-04-12 , DOI: 10.1002/admt.202300430
Zhendong Zhu 1 , Longbo Luo 1 , Jiayu Wang 1 , Shi Liu 1 , Kai Wu 1 , Yinghan Wang 1 , Xiangyang Liu 1 , Jiaqiang Qin 1 , Pei Cheng 1
Advanced Materials Technologies ( IF 6.4 ) Pub Date : 2023-04-12 , DOI: 10.1002/admt.202300430
Zhendong Zhu 1 , Longbo Luo 1 , Jiayu Wang 1 , Shi Liu 1 , Kai Wu 1 , Yinghan Wang 1 , Xiangyang Liu 1 , Jiaqiang Qin 1 , Pei Cheng 1
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Coiled-polymer-fiber-based artificial muscles can provide large contractile actuation stroke. However, it is a challenge to achieve high actuation load and high actuation stroke for artificial muscle simultaneously. Herein, a powerful coiled-polymer-fiber-based artificial muscle with a “rigid-and-flexible” structure is fabricated by cotwisting rigid heterocyclic aramid (HA) fibers with flexible silver-plated nylon (SPN) fibers. The artificial muscle based on coiled HA@SPN fibers can lift a load over 108 MPa with a fast response time of 0.6 s, which is 309 times heavier than the load that human muscle can lift, and generate a work density per temperature of 41.3 J (kg °C)−1. The coiled HA@SPN fiber muscle exhibits high actuation stability of over 30 000 cycles. The coiled HA@SPN fiber muscle can provide a contractile actuation stroke of up to 8.2% and generate an average gravimetric mechanical energy density of 702 J kg−1, which is 18.1 times that of human skeletal muscle (≈38.8 J kg−1). An average contractile power density of 1168 W kg−1 is obtained for coiled HA@SPN fiber muscle, which is 23.4 times that of human skeletal muscle (≈50 W kg−1).
中文翻译：
通过高强度纤维增强策略实现高性能人造肌肉
基于卷曲聚合物纤维的人造肌肉可以提供大的收缩驱动行程。然而，同时实现人造肌肉的高驱动负载和高驱动行程是一个挑战。在此，通过将刚性杂环芳纶（HA）纤维与柔性镀银尼龙（SPN）纤维共捻，制造出一种具有“刚性和柔性”结构的强大的基于卷曲聚合物纤维的人造肌肉。基于卷绕HA@SPN纤维的人造肌肉可以举起超过108 MPa的负载，快速响应时间为0.6 s，是人体肌肉可以举起的负载的309倍，单位温度的工作密度为41.3 J (千克°C) −1。卷绕的 HA@SPN 纤维肌肉表现出超过 30 000 次循环的高致动稳定性。卷绕的HA@SPN纤维肌肉可以提供高达8.2%的收缩驱动行程，并产生702 J kg -1的平均重力机械能密度，是人类骨骼肌能量密度的18.1倍（≈38.8 J kg -1） 。卷曲HA@SPN纤维肌肉的平均收缩功率密度为1168 W kg -1 ，是人类骨骼肌（≈50 W kg -1）的23.4倍。
更新日期：2023-04-12
中文翻译：
通过高强度纤维增强策略实现高性能人造肌肉
基于卷曲聚合物纤维的人造肌肉可以提供大的收缩驱动行程。然而，同时实现人造肌肉的高驱动负载和高驱动行程是一个挑战。在此，通过将刚性杂环芳纶（HA）纤维与柔性镀银尼龙（SPN）纤维共捻，制造出一种具有“刚性和柔性”结构的强大的基于卷曲聚合物纤维的人造肌肉。基于卷绕HA@SPN纤维的人造肌肉可以举起超过108 MPa的负载，快速响应时间为0.6 s，是人体肌肉可以举起的负载的309倍，单位温度的工作密度为41.3 J (千克°C) −1。卷绕的 HA@SPN 纤维肌肉表现出超过 30 000 次循环的高致动稳定性。卷绕的HA@SPN纤维肌肉可以提供高达8.2%的收缩驱动行程，并产生702 J kg -1的平均重力机械能密度，是人类骨骼肌能量密度的18.1倍（≈38.8 J kg -1） 。卷曲HA@SPN纤维肌肉的平均收缩功率密度为1168 W kg -1 ，是人类骨骼肌（≈50 W kg -1）的23.4倍。
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