selv da elektronikken er skrumpet mere og mere, har motorer, Hydraulik og andre gadgets, der bruges til at drive bevægelse, stædigt modstået tendensen. Det er vanskeligt at fremstille og samle små mekanismer, der kan give kræfterne og håndtere de belastninger, der er nødvendige for at køre usædvanligt små bevægelige dele. Denne uge i Science præsenterer flere forskerhold undersøgelser, der beskriver fremskridt med at lave små kunstige muskler—som alle bruger små snoet fibre til at lagre og frigive energi. Fibrene kunne anvendes i alt fra miniature robotter til ventiler i medicinsk udstyr.
disse fibre, som ofte omfatter lette polymerer som nylon eller højdensitetspolyethylen, kan være mere kraftfulde, baseret på deres vægt, end menneskelige muskler. Når de trækker sig sammen, kan nogle løfte mere end 1.000 gange deres egen masse, siger Sameh. Fibrene gør det muligt for ingeniører at lagre en masse energi i et lille rum, som “lader dem gøre ting, de ellers ikke kan gøre”, bemærker Tafick, der var medforfatter til et perspektiv på de undersøgelser, der blev offentliggjort i samme udgave af Science.
et af de nye kunstige muskeldesign er i det væsentlige en lille, højteknologisk version af gummibåndene, der bruges til at drive balsa-træfly. Men disse fibre kræver ikke vikling hver gang de bruges, siger Jinkai Yuan, en materialeforsker ved Universitetet i Frankrig og medforfatter til en af undersøgelserne. I stedet er de lavet af en “formhukommelse” – polymer, der vrider og afvikles, når materialets temperatur ændres.
sådan lavede Yuans team sine muskler: for det første opvarmede forskerne en to centimeter lang 40 mikron diameter fiber af et materiale kaldet polyvinylalkohol (PVA) over dets såkaldte programmeringstemperatur. (Over denne temperatur tager materialet naturligt en form; under det kan materialet tage en anden. Hvis temperaturerne svinger omkring denne tærskel, skifter materialet mellem de to former.) Efter at have drejet fiberen for at opbevare energi, afkølede de den for at fryse dens form. Da fiberen igen blev opvarmet over programmeringstemperaturen, blev den hurtigt snoet til sin oprindelige form, siger Yuan.
selvom en PVA-fiber kunne lagre en betydelig mængde energi, fandt holdet, at tilføjelse af flager af grafenoksid i tre til fem mikronstørrelse til materialet gjorde det muligt at låse den endnu mere væk. Det skyldes, at disse flager ville bøje—og dermed lagre energi, som en fjedermagt—når fiberen først blev snoet, men derefter frigive den energi, da den blev snoet. I holdets laboratorietest spandt en snoet fiber lidt papir ved 600 omdrejninger pr. For at demonstrere fiberens energilagringskapacitet brugte holdet en til at drive en legetøjsbåd. På en mere praktisk note kan denne form for kunstig muskel også åbne og lukke små ventiler i medicinsk udstyr, antyder Yuan.
mens fibrene fra Yuan og hans kolleger giver drejningsmoment, når de vrider og løsner, fungerer de kunstige muskler, der er udviklet af andre hold, mere som rigtige muskler: de fungerer ved at trække på eller løfte genstande. Et team ledet af forskere ved Massachusetts Institute of Technology skabte fibre, der kan strække mere end 1.000 procent af deres oprindelige størrelse og løfte mere end 650 gange deres egen vægt. De opererer på et princip, der ligner de bimetalliske strimler i tidlige termostater: fiberen fremstilles ved at binde to materialer, der udvides med radikalt forskellige hastigheder, når temperaturen i deres miljø ændres, siger Polina Anikeeva, en materialeforsker ved M. I. T. og seniorforfatter af denne undersøgelse.
hendes teams nye kunstige muskel indeholder en højdensitetspolyethylen (HDPE), den samme slags plast, der bruges til at fremstille genanvendelige flasker. Det har også et andet materiale, en elastisk type polymer kendt som en elastomer, siger Anikeeva. Da små blokke af disse stoffer opvarmes og trækkes gennem en smal dyse, binder de sig og strækkes i en lang, tynd fiber. Når spændingen i fiberen frigøres, krymper elastomeren tilbage til sin oprindelige størrelse. Denne ændring, på tur, får fiberen til at spole ind i en fjederlignende form, der ligner en gammel telefonledning. Når fiberen opvarmes eller afkøles, udvides eller sammentrækkes HDPE cirka fem gange hurtigere end elastomeren, som den er bundet til, hvilket har en tendens til at forkorte eller øge den samlede længde af henholdsvis den oprullede fiber.
da Anikeeva og hendes kolleger opvarmede en af deres fibre med 14 grader Celsius over fire sekunder, faldt den kunstige muskel i den samlede længde med hele 50 procent. I andre tests opvarmede og afkølede holdet fibre for at løfte lette vægte eller bøje en lille robotarm. Selvom disse tests løftede vægt i gram-størrelse, kunne massive bundter af sådanne fibre bruges til at udføre tungere løft eller slæbning, siger Anikeeva. Fibre med større diameter, eller bundter af dem, kunne finde anvendelser i robotik eller proteser, bemærker hun.
et andet hold, der rapporterede sit arbejde i denne uges videnskab, tacklede kunstige muskler på en helt anden måde. Selvom dets enheder blev bygget omkring en kerne af snoede fibre, var den aktive del af muskelen faktisk en tynd kappe af materiale, der omgiver kernen. Brug af en sådan kappe havde flere fordele, siger Ray Baughman, teamleder og materialeforsker ved Dallas Universitet. For det første bemærker han, at det giver ingeniører mulighed for at bruge billigere materialer til en fibers kerne. Han og hans kolleger har udviklet kappe-drevne muskler bygget op omkring kerner lavet af nylon, silke og bambusgarn. Deres test viser, at valget af materiale til en fibers kerne ikke dramatisk påvirker dens ydeevne.
der er andre grunde til at opbygge kappe-drevne muskler, siger Baughman. Ydersiden af fiberen er, hvor miljømæssige stimuli, såsom fugtighed eller tilstedeværelsen af visse stoffer, der driver dens bevægelse, vil mærkes hurtigere, forklarer han. Også hævelse og krympning i kappen, som er længst væk fra midten af fiberen, vil udøve mere gearing end tilsvarende ændringer nær fiberens kerne.
i modsætning til de andre hold udviklede Baughman og hans kolleger fibre, der reagerer på mere end bare temperaturændringer. Nogle sportede muskelskeder, der kvælder, når de udsættes for ethanoldamp; andre blev fineret med et materiale, der krymper, når det gennemblødes i en glukoseopløsning. Disse slags fibre kan bruges til at åbne eller lukke ventiler i medicinsk udstyr eller til at klemme en lille pose og dispensere et lægemiddel. Fibre, der reagerer på sved eller vanddamp, kan væves ind i “smarte stoffer”, der justerer tætheden af deres væv for at blive mere åndbar under varme, fugtige forhold, siger Baughman. Alternativt kan belægninger, der reagerer på skadelige dampe, stramme et stofs væv for at beskytte folk, der reagerer på et kemisk udslip.
“jeg er meget begejstret for udviklingen” rapporteret af disse hold, siger Takfick. “Denne teknologi har en meget lys fremtid.”
