zelfs nu de elektronica steeds meer is gekrompen, hebben motoren, hydraulica en andere gadgets die worden gebruikt om beweging aan te drijven, deze trend hardnekkig weerstaan. Het is moeilijk om minuscule mechanismen te maken en te monteren die de krachten kunnen leveren en de belastingen kunnen hanteren die nodig zijn om uitzonderlijk kleine bewegende onderdelen aan te drijven. Deze week in de wetenschap, verschillende teams van onderzoekers presenteren studies beschrijven vooruitgang in het maken van kleine kunstmatige spieren – die allemaal gebruik maken van kleine gedraaide vezels op te slaan en energie vrij te geven. De vezels kunnen in alles worden gebruikt, van miniatuur robots tot kleppen in medische apparaten.
deze vezels, die vaak lichte polymeren zoals nylon of polyethyleen met hoge dichtheid bevatten, kunnen op basis van hun gewicht krachtiger zijn dan menselijke spieren. Als ze contracteren, kunnen sommigen meer dan 1000 keer hun eigen massa tillen, zegt Sameh Tawfick, een werktuigbouwkundige aan de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign. De vezels stellen ingenieurs in staat om veel energie op te slaan in een kleine ruimte, die “laat ze dingen doen die ze anders niet kunnen doen,” merkt Tawfick, die coauteur van een perspectief op de studies gepubliceerd in hetzelfde nummer van de wetenschap.
een van de nieuwe kunstspierontwerpen is in wezen een kleine, hightech versie van de elastiekjes die worden gebruikt om balsahouten vliegtuigen te stuwen. Maar deze vezels hoeven niet elke keer te worden opgerold, zegt Jinkai Yuan, een materiaalwetenschapper aan de Universiteit van Bordeaux in Frankrijk en een coauteur van een van de studies. In plaats daarvan zijn ze gemaakt van een” vormgeheugen ” polymeer dat draait en ontwist als de temperatuur van het materiaal verandert.
hier is hoe Yuan ‘ s team zijn spieren maakte: ten eerste verwarmde de onderzoekers een twee centimeter lange vezel met een diameter van 40 micron van polyvinylalcohol (PVA) boven de zogenaamde programmeertemperatuur. (Boven deze temperatuur neemt het materiaal van nature een vorm aan; daaronder kan het materiaal een andere vorm aannemen. Als temperaturen schommelen rond deze drempel, het materiaal wisselt tussen de twee vormen.) Na het draaien van de vezel om energie op te slaan, koelden ze het af om zijn vorm te bevriezen. Toen de vezel opnieuw werd verwarmd boven de programmeertemperatuur, het snel ontwist naar zijn oorspronkelijke vorm, Yuan zegt.
hoewel een PVA-vezel een aanzienlijke hoeveelheid energie kon opslaan, stelde het team vast dat het toevoegen van drie tot vijf micron grote vlokken grafeenoxide aan het materiaal het mogelijk maakte om nog meer af te sluiten. Dat komt omdat die vlokken zouden buigen—en dus energie op te slaan, als een veer zou kunnen-toen de vezel werd eerst gedraaid, maar dan vrijgeven van die energie als het untwisted. In de labtests van het team spon een niet-bestaande vezel een stukje papier met 600 omwentelingen per minuut gedurende vijf seconden. Om de energieopslag van de vezel aan te tonen, gebruikte het team er een om een speelgoedboot te stuwen. Op een meer praktische noot, Dit soort kunstmatige spier kan ook openen en sluiten kleine kleppen in medische apparaten, Yuan suggereert.
terwijl de vezels die door Yuan en zijn collega ‘ s worden gemaakt Koppel leveren terwijl ze draaien en ontwisten, werken de kunstmatige spieren die door andere teams worden ontwikkeld meer als echte spieren: ze werken door aan objecten te trekken of te tillen. Een team onder leiding van onderzoekers aan het Massachusetts Institute of Technology creëerde vezels die meer dan 1.000 procent van hun initiële grootte kunnen rekken en meer dan 650 keer hun eigen gewicht kunnen tillen. Ze werken op een principe vergelijkbaar met de bimetaal strips in vroege thermostaten: de vezel wordt gemaakt door het verlijmen van twee materialen die uit te breiden met radicaal verschillende snelheden als de temperatuur van hun omgeving verandert, zegt Polina Anikeeva, een Materialen wetenschapper bij M. I. T. en senior auteur van die studie.
de nieuwe kunstspier van haar team bevat een hoge dichtheid polyethyleen (HDPE), hetzelfde soort plastic dat wordt gebruikt om recycleerbare flessen te maken. Het heeft ook een ander materiaal, een rekbaar type polymeer dat bekend staat als elastomeer, zegt Anikeeva. Omdat kleine blokken van deze stoffen worden verwarmd en door een smal mondstuk worden getrokken, hechten ze zich en worden ze uitgerekt tot een lange, dunne vezel. Wanneer de spanning in de vezel wordt vrijgegeven, krimpt het elastomeer terug naar zijn oorspronkelijke grootte. Die verandering, op zijn beurt, zorgt ervoor dat de vezel te spoelen in een veerachtige vorm die lijkt op een oude telefoonkoord. Als de vezel wordt verwarmd of gekoeld, zet de HDPE ongeveer vijf keer sneller uit of krimpt hij ongeveer vijf keer sneller dan het elastomeer waaraan hij is gebonden, waardoor de totale lengte van de opgerolde vezel wordt verkort of vergroot.
toen Anikeeva en haar collega ‘ s een van hun vezels verwarmde met 14 graden Celsius gedurende vier seconden, kromp de kunstmatige spier in totale lengte maar liefst 50 procent. In andere tests verwarmde en koelde het team vezels om lichte gewichten op te heffen of een kleine robotarm te flex. Hoewel deze tests opgeheven gram-grootte gewichten, massale bundels van dergelijke vezels kunnen worden gebruikt om zwaarder tillen of trekken uit te voeren, Anikeeva zegt. Grotere-diameter vezels, of bundels van hen, kunnen toepassingen vinden in robotica of prothese ledematen, merkt ze op.
een ander team dat verslag deed van zijn werk in de wetenschap van deze week behandelde kunstmatige spieren op een totaal andere manier. Hoewel de apparaten werden gebouwd rond een kern van gedraaide vezels, het actieve deel van de spier was eigenlijk een dunne schede van materiaal rond de kern. Het gebruik van een dergelijke schede had verschillende voordelen, zegt Ray Baughman, teamleider en materiaalwetenschapper aan de Universiteit van Texas in Dallas. Voor een ding, merkt hij op, het stelt ingenieurs in staat om goedkopere materialen te gebruiken voor de kern van een vezel. Hij en zijn collega ‘ s hebben schede-gedreven spieren opgebouwd rond kernen gemaakt van nylon, zijde en bamboe garens. Hun tests tonen aan dat de keuze van het materiaal voor de kern van een vezel niet dramatisch invloed op de prestaties.
er zijn andere redenen om schede-gedreven spieren te bouwen, zegt Baughman. De buitenkant van de vezel is waar omgevingsstimuli, zoals vochtigheid of de aanwezigheid van bepaalde stoffen die de beweging, zal sneller worden gevoeld, legt hij uit. Ook zwelling en krimp in de schede, die het verst van het centrum van de vezel, zal meer hefboomwerking dan gelijkwaardige veranderingen in de buurt van de kern van de vezel uit te oefenen.In tegenstelling tot de andere teams ontwikkelden Baughman en zijn collega ‘ s vezels die reageren op meer dan alleen veranderingen in temperatuur. Sommige sportieve spierscheden die zwellen bij blootstelling aan ethanol damp; anderen werden gefineerd met een materiaal dat krimpt wanneer gedrenkt in een glucose-oplossing. Dit soort vezels kunnen worden gebruikt om kleppen in medische apparaten te openen of te sluiten of om een klein zakje te knijpen en een medicijn af te geven. Vezels die reageren op zweet of waterdamp kunnen worden geweven in” slimme stoffen ” die de dichtheid van hun weefsel aan te passen om meer ademend in warme, vochtige omstandigheden, Baughman zegt. Als alternatief kunnen coatings die reageren op schadelijke dampen het weefsel van een stof aanscherpen om mensen te beschermen die reageren op een chemische lekkage.
” ik ben zeer enthousiast over de ontwikkelingen ” gemeld door deze teams, Tawfick zegt. “Deze technologie heeft een zeer mooie toekomst.”
