vaikka elektroniikka on kutistunut yhä enemmän, moottorit, hydrauliikka ja muut liikettä ohjaavat laitteet ovat itsepäisesti vastustaneet suuntausta. On vaikea valmistaa ja koota pieniä mekanismeja, jotka voivat antaa voimia ja käsitellä rasituksia, joita tarvitaan poikkeuksellisen pienten liikkuvien osien kuljettamiseen. Tällä viikolla Science-lehdessä useat tutkijaryhmät esittelevät tutkimuksia, joissa kuvaillaan edistysaskelia pienten tekolihasten tekemisessä—kaikki nämä käyttävät pieniä kiertyneitä kuituja energian varastoimiseen ja vapauttamiseen. Kuituja voitaisiin käyttää kaikessa pienoisroboteista lääketieteellisten laitteiden venttiileihin.
nämä kuidut, jotka usein sisältävät kevyitä polymeerejä, kuten nailonia tai suuritiheyspolyeteeniä, voivat painonsa perusteella olla voimakkaampia kuin ihmisen lihakset. Kun ne supistuvat, jotkut voivat nostaa yli 1000 kertaa oman massansa, sanoo koneinsinööri Sameh Tawfick Illinoisin yliopistosta Urbana-Champaignista. Kuitujen avulla insinöörit voivat varastoida paljon energiaa pieneen tilaan, mikä ”antaa heille mahdollisuuden tehdä asioita, joita he eivät muuten voi tehdä”, toteaa Tawfick, joka oli mukana kirjoittamassa näkökulmaa samassa Science-lehden numerossa julkaistuihin tutkimuksiin.
yksi uusista keinotekoisista lihaksista on pohjimmiltaan pieni, korkean teknologian versio balsapuulentokoneiden kuljettamiseen käytetyistä kuminauhoista. Mutta nämä kuidut eivät vaadi käämitystä joka kerta, kun niitä käytetään, sanoo Jinkai Yuan, materiaalitieteilijä Bordeaux ’ n yliopistossa Ranskassa ja yksi tutkimuksen tekijöistä. Sen sijaan ne on valmistettu ”muotomuisti” – polymeeristä, joka vääntyy ja purkautuu materiaalin lämpötilan muuttuessa.
näin Yuanin ryhmä teki lihaksensa: ensin tutkijat kuumensivat kahden senttimetrin mittaisen, 40 mikronin läpimittaisen kuidun polyvinyylialkoholiksi (PVA) kutsutun materiaalin yli sen niin sanotun ohjelmointilämpötilan. (Tämän lämpötilan yläpuolella materiaali ottaa luonnollisesti yhden muodon; sen alapuolella materiaali voi ottaa toisen. Jos lämpötila vaihtelee tämän kynnyksen tuntumassa, materiaali vuorottelee näiden kahden muodon välillä.) Kierrettyään kuitua energian varastoimiseksi he jäähdyttivät sitä jäädyttääkseen sen muodon. Kun kuitua lämmitettiin jälleen yli ohjelmointilämpötilansa, se irtosi nopeasti alkuperäiseen muotoonsa, Yuan kertoo.
vaikka POLYVINYYLIKUITU pystyi varastoimaan huomattavan määrän energiaa, tutkimusryhmä havaitsi, että kun materiaaliin lisättiin kolmen-viiden mikroninkokoisia grafeenioksidihiutaleita, se pystyi lukkiutumaan vielä enemmän. Tämä johtuu siitä, että nämä hiutaleet taipuisivat—ja siten varastoisivat energiaa, kuten jousi saattaisi—kun kuitua ensin kierrettäisiin, mutta vapauttaisivat sitten tuon energian kiertämättömänä. Ryhmän laboratoriokokeissa kiertämätön kuitu kehräsi paperia 600 kierrosta minuutissa täydet viisi sekuntia. Osoittaakseen kuidun energiavarastointikyvyn ryhmä käytti sitä leikkiveneen kuljettamiseen. Käytännöllisemmässä mielessä tällainen keinotekoinen lihas voisi myös avata ja sulkea pieniä venttiilejä lääketieteellisissä laitteissa, Yuan ehdottaa.
siinä missä yuanin ja hänen kollegoidensa valmistamat kuidut antavat vääntöä vääntyessään ja vääntyessään, muiden joukkueiden kehittämät keinotekoiset lihakset toimivat enemmän kuin oikeat lihakset:ne toimivat vetämällä tai nostamalla esineitä. Massachusetts Institute of Technologyn tutkijoiden johtama ryhmä loi kuituja, jotka voivat venyä yli 1000 prosenttia alkuperäisestä koostaan ja nostaa yli 650 kertaa oman painonsa. Ne toimivat periaatteella, joka on samanlainen kuin bimetalliliuskat varhaisissa termostaateissa: kuitu tehdään sitomalla kahta materiaalia, jotka laajenevat radikaalisti eri tahtiin ympäristön lämpötilan muuttuessa, sanoo Polina Anikeeva, materiaalitutkija MIT: ssä ja vanhempi tutkimuksen tekijä.
hänen tiiminsä Uusi tekolihas sisältää suuritiheyksistä polyeteeniä (HDPE), samanlaista muovia, jota käytetään kierrätyspullojen valmistukseen. Siinä on myös toista materiaalia, joustavaa polymeerityyppiä, joka tunnetaan elastomeerina, Anikeeva sanoo. Kun näitä aineita kuumennetaan ja vedetään kapean suuttimen läpi, ne sitoutuvat ja venyvät pitkäksi, ohueksi kuiduksi. Kun kuidun jännitys vapautuu, elastomeeri kutistuu takaisin alkuperäiseen kokoonsa. Tämä muutos puolestaan saa kuidun kiertymään vanhaa puhelinjohtoa muistuttavaan jousimaiseen muotoon. Kun kuitua lämmitetään tai jäähdytetään, HDPE laajenee tai supistuu noin viisi kertaa nopeammin kuin elastomeeri, johon se on sitoutunut, mikä pyrkii lyhentämään tai kasvattamaan kietoutuneen kuidun kokonaispituutta vastaavasti.
kun Anikeeva kollegoineen kuumensi yhtä kuituaan 14 astetta neljän sekunnin aikana, keinolihas kutistui kokonaispituudeltaan huimat 50 prosenttia. Muissa testeissä tiimi kuumensi ja viilensi kuituja nostaakseen kevyitä painoja tai koukistaakseen pientä robottikäsivartta. Vaikka nuo testit nostivat gramman kokoisia painoja, massiivisilla kuitukimpuilla voitiin tehdä raskaampaa nostoa tai hinausta, Anikeeva sanoo. Isompiläpimittaisille kuiduille tai niiden nipuille voisi löytyä käyttöä robotiikassa tai proteesiraajoissa, hän huomauttaa.
toinen tämän viikon Science-lehdessä tekemästään työstä raportoinut ryhmä taklasi tekolihaksia aivan eri tavalla. Vaikka sen laitteet rakentuivat kiertyneistä kuiduista koostuvan ytimen ympärille, lihaksen aktiivinen osa oli todellisuudessa ohutta materiaalia sisältävä vaippa, joka ympäröi ydintä. Tällaisen tuppeen käytöllä oli useita etuja, sanoo tiiminjohtaja ja materiaalitieteilijä Ray Baughman Texasin yliopistosta Dallasista. Hän toteaa ensinnäkin, että se antaa insinööreille mahdollisuuden käyttää halvempia materiaaleja kuidun ytimeen. Hän on kollegoidensa kanssa kehittänyt nailonista, silkistä ja bambulangasta valmistettujen ytimien ympärille rakennetut tuppivetoiset lihakset. Heidän testinsä osoittavat, että materiaalin valinta kuidun ytimeen ei vaikuta dramaattisesti sen suorituskykyyn.
on muitakin syitä rakentaa tuppivetoisia lihaksia, Baughman sanoo. Kuidun ulkopuoli on siellä, missä ympäristön ärsykkeet, kuten kosteus tai tiettyjen sen liikettä ajavien aineiden läsnäolo, tuntuvat nopeammin, hän selittää. Myös turvotus ja kutistuminen vaippa, joka on kauimpana keskustasta kuidun, käyttää enemmän vipuvaikutusta kuin vastaavat muutokset lähellä kuidun ydin.
toisin kuin muut joukkueet, Baughman kollegoineen kehitti kuituja, jotka reagoivat muuhunkin kuin lämpötilan muutoksiin. Jotkut sporttiset lihaspeitteet, jotka turpoavat altistuessaan etanolihöyrylle; toiset viilutettiin aineella, joka kutistuu, kun sitä liotetaan glukoosiliuoksessa. Tällaisia kuituja voitaisiin käyttää lääketieteellisten laitteiden venttiilien avaamiseen tai sulkemiseen tai pienen pussin puristamiseen ja lääkkeen jakeluun. Hikeä tai vesihöyryä reagoivista kuiduista voitaisiin kutoa ”älykankaita”, jotka säätävät kutomansa tiiviyden hengittävämmäksi kuumissa ja kosteissa olosuhteissa, Baughman sanoo. Vaihtoehtoisesti pinnoitteet, jotka reagoivat myrkyllisiin höyryihin, voisivat kiristää kankaan kudosta suojaamaan kemikaalivuotoon reagoivia ihmisiä.
”olen äärimmäisen innoissani näiden joukkueiden raportoimasta kehityksestä”, Tawfick sanoo. ”Tällä teknologialla on erittäin valoisa tulevaisuus.”
