Phương pháp mới khai thác vật liệu sợi tổng hợp cơ bản này nằm ở việc định hình và làm nóng sợi theo cách đặc biệt, đã được mô tả trong một bài báo nghiên cứu đăng trên tạp chí Advanced Materials của Nghiên cứu sinh tiến sỹ Seyed Mirvakili và GS. Ian Hunter.

Trước đây, các nhà nghiên cứu đã đưa ra nguyên tắc cơ bản sử dụng các cuộn dây ni lông xoắn để mô phỏng hoạt động của cơ dài cơ bản. Kết quả cho thấy với kích thước và trọng lượng nhất định, các thiết bị này có thể duỗi ra và co lại mạnh hơn, cũng như tích trữ và giải phóng nhiều năng lượng hơn cơ tự nhiên. Nhưng, các chuyển động uốn cong giống như của ngón tay và các chi ở người, tỏ ra khó khăn hơn và vẫn chưa đạt được trong hệ thống đơn giản và giá rẻ cho đến khi nghiên cứu mới được thực hiện tại MIT.

Một số vật liệu hiện có được sử dụng để tạo ra các chuyển động uốn cong này, có ích cho một số thiết bị y sinh hoặc màn hình xúc giác. Tuy nhiên, các thiết bị này có xu hướng sử dụng "vật liệu khác lạ để thực hiện thao tác uốn cong và rất tốn kém và khó để thực hiện", TS. Mirvakili nói. Ví dụ, các sợi ống nano cacbon có tuổi thọ cao (hơn một triệu chu kỳ co tuyến tính) nhưng vẫn quá đắt để được sử dụng rộng rãi và các hợp kim nhớ hình tạo sức kéo mạnh nhưng có vòng đời của chu kỳ ngắn (chưa đến 1.000 chu kỳ).

Giá rẻ và đơn giản

Trái lại, hệ thống ni lông mới mới sử dụng vật liệu giá rẻ và một quy trình sản xuất đơn giản, được chứng minh có tuổi thọ chu kỳ rất dài.

Một số vật liệu sợi polime bao gồm ni lông định hướng tốt, có tính chất kỳ lạ: Khi bị nung nóng, chiều dài của vật liệu co lại nhưng đường kính lại nở ra. Tính chất này đã được khai thác để sản xuất một số thiết bị truyền động tuyến tính. Nhưng để biến chuyển động co tuyến tính thành chuyển động uốn cong thường cần có một cơ chế như ròng rọc bằng cách tăng thêm kích thước, độ phức tạp và chi phí. Đột phá của nhóm nghiên cứu tại MIT là trực tiếp khai thác chuyển động mà không cần các bộ phận cơ học phụ trợ.

Một trong những hạn chế của các thiết bị truyền động tuyến tính được làm từ vật liệu sợi polime, đó là sau khi được nung nóng để kích thích co cơ, chúng mất một thời gian để làm mát. "Tốc độ làm mát có thể là một hạn chế. Nhưng tôi cho rằng nó có thể là một lợi thế", TS. Mirvakili nói. Việc làm nóng có chọn lọc một mặt của sợi, khiến cho mặt kia co lại nhanh hơn tốc độ nhiệt có thể thẩm thấu sang đầu bên kia và do vậy có thể tạo ra chuyển động uốn cong trong sợi.

Để hệ thống này hoạt động hiệu quả như cơ nhân tạo, mặt cắt ngang của sợi cần được định hình thận trọng. Nhóm nghiên cứu đã sử dụng dây câu ni lông để nén nhằm thay đổi mặt cắt ngang của sợi từ hình tròn thành hình chữ nhật hoặc hình vuông. Sau đó, việc làm nóng có chọn lọc một mặt đã làm cho sợi uốn con theo hướng đó. Thay đổi hướng làm nóng cũng tạo ra các chuyển động phức tạp hơn; trong các thí nghiệm tại lab, nhóm nghiên cứu đã sử dụng kỹ thuật làm nóng này để các sợi chuyển động theo hình số 8 và có thể dễ dàng tạo nên nhiều mô hình chuyển động phức tạp.

Các nguồn nhiệt khác có thể được sử dụng trên sợi, bao gồm làm nóng bằng điện trở, các phản ứng hóa học hoặc một chùm tia laser chiếu sáng sợi. Đối với một số thí nghiệm, các nhà nghiên cứu đã sử dụng một lớp sơn dẫn điện đặc biệt cho sợi và giữ cố định bằng nhựa dính; khi áp điện cho vật liệu, nó đã làm nóng trực tiếp phần sợi dưới sơn, làm cho sợi uốn cong theo cách đó.

Vật liệu tồn tại lâu

Các nhà nghiên cứu đã chứng minh vật liệu có thể duy trì hiệu suất sau ít nhất 100.000 chu kỳ uốn và còn có thể uốn cong và co lại với tốc độ ít nhất là 17 chu kỳ/giây.

Loại sợi mới có triển vọng ứng dụng cho quần áo với khả năng co lại và điều chỉnh cho vừa các đường nét trên cơ thể người, tạo cho người mặc sự thoải mái và làm giảm đáng kể số lượng kích thước khác nhau mà nhà sản xuất phải tạo ra. Hoặc các sợi có thể được sử dụng cho những đôi giày, sẽ khít chân hơn khi đi hoặc điều chỉnh độ cứng và hình dạng của chúng trong mỗi bước chân.

Hệ thống này cũng có khả năng được ứng dụng cho các ống thông tự điều chỉnh hoặc các thiết bị y sinh khác. Về lâu dài, hệ thống thậm chí sẽ dẫn đến sự ra đời của các hệ thống cơ học như các tấm khung bên ngoài xe điều chỉnh hình dạng khí động của chúng để thích ứng với thay đổi về tốc độ và các điều kiện gió hoặc hệ thống theo dõi tự động cho các tấm pin mặt trời sử dụng nhiệt dư thừa được sản sinh từ chính các tấm pin.