még akkor is, ha az elektronika egyre inkább zsugorodott, a motorok, a hidraulika és a mozgás hajtására használt egyéb eszközök makacsul ellenálltak a trendnek. Nehéz olyan apró mechanizmusokat készíteni és összeszerelni, amelyek képesek biztosítani a kivételesen kis mozgó alkatrészek meghajtásához szükséges erőket és kezelni a feszültségeket. Ezen a héten a Science—ben több kutatócsoport olyan tanulmányokat mutat be, amelyek leírják a kis mesterséges izmok előállításának előrehaladását-amelyek mindegyike apró csavart szálakat használ az energia tárolására és felszabadítására. A szálakat a miniatűr robotoktól kezdve az orvostechnikai eszközök szelepéig mindenre fel lehet használni.
ezek a szálak, amelyek gyakran tartalmaznak könnyű polimereket, például nejlont vagy nagy sűrűségű polietilént, súlyuk alapján erősebbek lehetnek, mint az emberi izmok. Ahogy összehúzódnak, egyesek saját tömegük több mint 1000-szeresére emelhetnek-mondja Sameh Tawfick, az Urbana-Champaign Illinois-i Egyetem gépészmérnöke. A rostok lehetővé teszik a mérnökök számára, hogy sok energiát tároljanak egy kis térben, ami “lehetővé teszi számukra, hogy olyan dolgokat tegyenek, amelyeket egyébként nem tudnak megtenni”-jegyzi meg Tawfick, aki a Science ugyanazon számában megjelent tanulmányok perspektívájának társszerzője.
az egyik új mesterséges izomterv lényegében a balsa-fa repülőgépek meghajtására használt gumiszalagok kicsi, csúcstechnológiás változata. De ezek a szálak nem igényelnek tekercselést minden alkalommal, amikor használják őket, mondja Jinkai Yuan, a franciaországi Bordeaux-i Egyetem anyagtudósa, az egyik tanulmány társszerzője. Ehelyett egy “alakmemória” polimerből készülnek, amely az anyag hőmérsékletének változásával csavarodik és csavarodik.
így készítette Yuan csapata izmait: először a kutatók két centiméter hosszú, 40 mikron átmérőjű szálat melegítettek egy polivinil-alkohol (PVA) nevű anyagból az úgynevezett programozási hőmérséklet fölé. (Ezen hőmérséklet felett az anyag természetesen egy alakot vesz fel; alatta az anyag másikat vehet fel. Ha a hőmérséklet e küszöb körül ingadozik, az anyag váltakozik a két alak között.) Miután megfordították a rostot az energia tárolására, lehűtötték, hogy megfagyjon az alakja. Amikor a rostot ismét a programozási hőmérséklet fölé melegítették, gyorsan lecsavarodott eredeti alakjára-mondja Yuan.
bár a PVA szál jelentős mennyiségű energiát képes tárolni, a csapat megállapította, hogy három-öt mikron méretű grafén-oxid pelyhek hozzáadása az anyaghoz lehetővé tette, hogy még jobban elzáródjon. Ez azért van, mert ezek a pelyhek hajlítanának—és így energiát tárolnának, mint egy rugó—, amikor a rostot először megcsavarják, de aztán felszabadítják ezt az energiát, amikor meg nem csavarodik. A csapat laboratóriumi tesztjei során egy sodratlan szál egy kis papírt forgatott 600 fordulat / perc sebességgel, teljes öt másodpercig. A szál energiatároló képességének bemutatására a csapat egy játékhajó meghajtására használt egyet. Egy praktikusabb Megjegyzés, Ez a fajta mesterséges izom is nyithat és zárhat apró szelepeket az orvosi eszközökben, Yuan javasolja.
míg a Yuan és kollégái által készített szálak nyomatékot biztosítanak, amikor csavarodnak és kicsavarodnak, a más csapatok által kifejlesztett mesterséges izmok inkább valódi izmokhoz hasonlítanak: tárgyakat húznak vagy emelnek. A Massachusetts Institute of Technology kutatói által vezetett csapat olyan szálakat hozott létre, amelyek eredeti méretük több mint 1000% – át nyújtják, és saját súlyuk több mint 650-szeresét emelik. Hasonló elven működnek, mint a korai termosztátok bimetálcsíkjai: a rost két olyan anyag összekapcsolásával készül, amelyek gyökeresen eltérő sebességgel tágulnak, amikor a környezetük hőmérséklete megváltozik-mondja Polina Anikeeva, az MIT anyagtudósa és a tanulmány vezető szerzője.
csapata új mesterséges izma nagy sűrűségű polietilént (HDPE) tartalmaz, ugyanazt a műanyagot, amelyet újrahasznosítható palackok készítéséhez használnak. Van egy másik anyaga is, egy rugalmas típusú polimer, elasztomer néven ismert, mondja Anikeeva. Mivel ezeknek az anyagoknak a kis tömbjeit egy keskeny fúvókán keresztül melegítik és húzzák, kötődnek és hosszú, vékony szálakká feszülnek. Amikor a szál feszültsége felszabadul, az elasztomer visszaáll az eredeti méretére. Ez a változás, viszont, okozza a szál tekercs egy rugós alakú hasonlít egy régi telefonkábel. Amint a rostot melegítik vagy lehűtik, a HDPE körülbelül ötször gyorsabban tágul vagy összehúzódik, mint az elasztomer, amelyhez kötődik, ami hajlamos lerövidíteni vagy növelni a tekercselt szál teljes hosszát.
amikor Anikeeva és kollégái négy másodperc alatt 14 Celsius-fokkal felmelegítették az egyik rostot, a mesterséges izom teljes hossza óriási 50 százalékkal csökkent. Más vizsgálatok során a csapat fűtött és hűtött szálakat emelt könnyű súlyokat, vagy flex egy kis robotkar. Bár ezek a tesztek felemelték a gramm méretű súlyokat, az ilyen szálak hatalmas kötegei felhasználhatók a nehezebb emelés vagy húzás elvégzésére, Anikeeva mondja. A nagyobb átmérőjű rostok vagy kötegek felhasználást találhatnak a robotikában vagy a protetikus végtagokban-jegyzi meg.
egy másik csapat, amely az e heti tudományban végzett munkájáról számolt be, teljesen más módon foglalkozott a mesterséges izmokkal. Bár eszközeit csavart szálak magja köré építették, az izom aktív része valójában egy vékony anyaghüvely volt, amely körülvette a magot. Egy ilyen köpeny használata számos előnnyel jár-mondja Ray Baughman, a csapat vezetője és a Dallas-i Texasi Egyetem anyagtudósa. Egyrészt megjegyzi, hogy ez lehetővé teszi a mérnökök számára, hogy olcsóbb anyagokat használjanak a szál magjához. Ő és kollégái nejlonból, selyemből és bambuszfonalból készült magok köré épített hüvelyvezérelt izmokat fejlesztettek ki. Tesztjeik azt mutatják, hogy a szál magjának anyagválasztása nem befolyásolja drámai módon a teljesítményét.
más okok is vannak a hüvelyvezérelt izmok felépítésére, mondja Baughman. A rost külső részén gyorsabban érezhetők a környezeti ingerek, például a páratartalom vagy a mozgását irányító bizonyos anyagok jelenléte-magyarázza. Ezenkívül a hüvely duzzanata és zsugorodása, amely a legtávolabb van a szál közepétől, nagyobb tőkeáttételt fog kifejteni, mint az egyenértékű változások a szál magja közelében.
a többi csapattal ellentétben Baughman és kollégái olyan szálakat fejlesztettek ki, amelyek nem csupán a hőmérséklet változására reagálnak. Néhány sportos izomhüvely, amely megduzzad, ha etanolgőznek van kitéve; másokat olyan anyaggal furnéroztak, amely glükózoldatban áztatva zsugorodik. Az ilyen típusú szálak felhasználhatók az orvostechnikai eszközök szelepeinek kinyitására vagy bezárására, vagy egy kis tasak összenyomására és egy gyógyszer adagolására. Az izzadságra vagy vízgőzre reagáló szálakat “intelligens szövetekbe” lehet szőni, amelyek a szövésük szorosságát úgy állítják be, hogy meleg, nedves körülmények között lélegzőbbé váljanak-mondja Baughman. Alternatív megoldásként a káros gőzökre reagáló bevonatok meghúzhatják a szövet szövését, hogy megvédjék a kémiai kiömlésre reagáló embereket.
“rendkívül izgatott vagyok a fejlesztésekről”, amelyeket ezek a csapatok jelentettek, mondja Tawfick. “Ennek a technológiának nagyon fényes jövője van.”
