Metallic muscles : nanostructures at work

Abstract

Materials systems that can mimic the properties of muscles upon an outside stimulus are coined ‘artificial muscles’ in analogy to human skeletal muscles, which are ideal actuators with high energy efficiency, fast strain-rate response and high durability. The common use of existing materials as actuators like piezoceramics and electroactive polymers are limited by several factors, including low energy efficiency, low strain amplitudes, fatigue limit and high actuation voltages needed. In this contribution we will show that nanoporous organometallic materials can operate as actuators, thereby offering a unique combination of low- -operating voltages, relatively large strain amplitudes, high stiffness and strength. In particular, it will be discussed that, through a smart materials design, large macroscopic strain amplitudes up to 10% and strain-rates up to 10-2 s-1 can be achieved, roughly 2 and 5 orders of magnitude larger than before in any materials system, respectively. In the summary and outlook, we introduce the concept of light-induced actuation in metallic muscle systems, i.e. the direct conversion of solar energy into mechanical work, without the need for external energy. Finally, as extension of this energy theme, we further discuss energy-related fields in which nanoporous metals may have a great impact.

Метални системи који опонашају особине мишића условљене спољашњим стимулацијама, назване „вештачким мишићима” по аналогији са скелетним мишићима, идеални су покретачи са високим степеном енергетске ефикасности, брзим деформационим одговором и великом издржљивошћу. Уобичајено коришћење постојећих материјала за покретаче, као што су пиезокерамика и електроактивни полимери, ограничено је са више фактора, укључујући малу енергетску ефикасност, мале амплитуде деформације, ограничења замором и високим напоном потребним за покретање. У овом прилогу показаћемо да нанопорозни органо-метални материјали могу да раде као покретачи, са јединственом комбинацијом особина: ниским радним напоном, релативно великим амплитудама деформације, великом крутошћу и чврстоћом. Посебно ће бити размотрено како, кроз интелигентно пројектовање материјала, постићи велику макроскопску амплитуду деформације, до 10%, и велику брзину деформације, до 10-2 s-1, што је приближно до два, тј. до пет редова величинa веће, респективно, него у било ком материјалу до сада. У закључку и будућим изгледима увешћемо концепт светлосно-активирајућих покретача у системима на бази металних мишића, односно директне конверзије соларне енергије у механички рад, без додатне спољне електричне енергије. На крају, као наставак ове теме везане за енергију, дискутоваћемо области у којим нанопорозни материјали могу имати велики допринос.