nawet gdy Elektronika kurczyła się coraz bardziej, silniki, HYDRAULIKA i inne gadżety używane do napędzania ruchu uparcie opierały się temu trendowi. Trudno jest wykonać i zmontować niewielkie mechanizmy, które mogą zapewnić siły i wytrzymać naprężenia potrzebne do napędzania wyjątkowo małych ruchomych części. W tym tygodniu w Science kilka zespołów naukowców przedstawia badania opisujące postępy w tworzeniu małych sztucznych mięśni-z których wszystkie wykorzystują małe skręcone włókna do magazynowania i uwalniania energii. Włókna mogą być stosowane we wszystkim, od miniaturowych robotów po zawory w urządzeniach medycznych.
włókna te, które często zawierają lekkie polimery, takie jak nylon lub polietylen o wysokiej gęstości, mogą być mocniejsze, w zależności od ich wagi, niż ludzkie mięśnie. W miarę zawierania umów niektórzy mogą podnieść ponad 1000 razy swoją własną masę, mówi Sameh Tawfick, inżynier mechanik z University of Illinois at Urbana-Champaign. Włókna umożliwiają inżynierom przechowywanie dużej ilości energii na małej przestrzeni ,co „pozwala im robić rzeczy, których nie mogą zrobić inaczej”, zauważa Tawfick, który jest współautorem perspektywy badań opublikowanych w tym samym numerze Science.
jednym z nowych projektów sztucznych mięśni jest w istocie mała, zaawansowana technologicznie wersja gumek używanych do napędzania samolotów z drewna balsy. Ale te włókna nie wymagają nawijania za każdym razem, gdy są używane, mówi Jinkai Yuan, materiałoznawca z Uniwersytetu w Bordeaux we Francji i współautor jednego z badań. Zamiast tego są one wykonane z polimeru „pamięci kształtu”, który skręca i odkręca się wraz ze zmianami temperatury materiału.
oto jak zespół Yuan wykonał swoje mięśnie: najpierw naukowcy ogrzali dwucentymetrowe włókno o średnicy 40 mikronów z materiału zwanego alkoholem poliwinylowym (PVA) powyżej jego tak zwanej temperatury programowania. (Powyżej tej temperatury materiał naturalnie przybiera jeden kształt; poniżej niego materiał może przyjąć inny. Jeśli temperatury wahają się wokół tego progu, materiał zmienia się między dwoma kształtami.) Po przekręceniu włókna w celu magazynowania energii, schłodzili go, aby zamrozić jego kształt. Kiedy włókno zostało ponownie podgrzane powyżej temperatury programowania, szybko odkręciło się do pierwotnego kształtu, mówi Yuan.
chociaż włókno PVA może przechowywać znaczną ilość energii, zespół odkrył, że dodanie płatków tlenku grafenu o wielkości od trzech do pięciu mikronów do materiału pozwoliło mu zablokować się jeszcze bardziej. To dlatego, że te płatki zginałyby się-i w ten sposób magazynowały energię, jak sprężyna—kiedy włókno było najpierw skręcone, ale potem uwalniało tę energię, gdy się odkręcało. W testach laboratoryjnych zespołu, nieskręcające się włókno obracało kawałek papieru przy 600 obrotach na minutę przez pełne pięć sekund. Aby zademonstrować zdolność włókna do magazynowania energii, zespół użył go do napędzania zabawkowej łodzi. Mówiąc bardziej praktycznie, ten rodzaj sztucznego mięśnia może również otwierać i zamykać małe zastawki w urządzeniach medycznych, sugeruje Yuan.
podczas gdy włókna wykonane przez Yuan i jego kolegów zapewniają moment obrotowy podczas skręcania i rozkręcania, sztuczne mięśnie opracowane przez inne zespoły działają bardziej jak prawdziwe mięśnie: pracują poprzez ciągnięcie lub podnoszenie przedmiotów. Zespół kierowany przez naukowców z Massachusetts Institute of Technology stworzył włókna, które mogą rozciągać się ponad 1000 procent ich początkowego rozmiaru i podnosić ponad 650 razy większą wagę. Działają one na zasadzie podobnej do pasków bimetalicznych we wczesnych termostatach: włókno jest wytwarzane przez wiązanie dwóch materiałów, które rozszerzają się w radykalnie różnym tempie, gdy zmienia się Temperatura ich otoczenia, mówi Polina Anikeeva, materiałoznawca w M. I. T. I starszy autor tego badania.
nowy sztuczny mięsień jej zespołu zawiera polietylen o wysokiej gęstości (HDPE), ten sam rodzaj tworzywa sztucznego, którego użyto do produkcji butelek nadających się do recyklingu. Ma również inny materiał, rozciągliwy rodzaj polimeru znany jako elastomer, mówi Anikeeva. Ponieważ małe bloki tych substancji są podgrzewane i ciągnione przez wąską dyszę, wiążą się i są rozciągane w długie, cienkie włókno. Gdy napięcie we włóknach jest uwalniane, elastomer kurczy się z powrotem do swojego pierwotnego rozmiaru. Ta zmiana z kolei powoduje, że włókno zwija się w sprężysty kształt przypominający stary przewód telefoniczny. Ponieważ włókno jest ogrzewane lub chłodzone, HDPE rozszerza się lub kurczy około pięć razy szybciej niż elastomer, z którym jest związany, co ma tendencję do skrócenia lub zwiększenia całkowitej długości zwiniętego włókna.
kiedy Anikeeva i jej koledzy ogrzali jedno ze swoich włókien o 14 stopni Celsjusza w ciągu czterech sekund, sztuczny mięsień skurczył się w całkowitej długości o aż 50 procent. W innych testach zespół ogrzewał i chłodził włókna, aby podnieść lekkie ciężary lub zgiąć małe ramię robota. Chociaż te testy podniosły ciężary o gramach, masywne wiązki takich włókien można wykorzystać do cięższego podnoszenia lub holowania, mówi Anikeeva. Włókna o większej średnicy, lub ich wiązki, mogą znaleźć zastosowanie w robotyce lub protetyce kończyn, zauważa.
kolejny zespół zgłaszający swoją pracę w tym tygodniu w nauce zajął się sztucznymi mięśniami w zupełnie inny sposób. Chociaż jego urządzenia były zbudowane wokół rdzenia skręconych włókien, aktywna część mięśnia była w rzeczywistości cienką powłoką materiału otaczającego rdzeń. Korzystanie z takiej pochwy miało wiele zalet, mówi Ray Baughman, lider zespołu i specjalista ds. materiałów z University of Texas w Dallas. Po pierwsze, zauważa, że pozwala to inżynierom używać tańszych materiałów do rdzenia światłowodu. On i jego koledzy rozwinęli mięśnie napędzane powłoką zbudowane wokół rdzeni z nylonu, jedwabiu i przędz bambusowych. Ich testy pokazują, że wybór materiału na rdzeń włókna nie wpływa dramatycznie na jego wydajność.
istnieją inne powody, aby budować mięśnie napędzane pochewką, mówi Baughman. Na Zewnątrz włókna szybciej odczują się bodźce środowiskowe, takie jak wilgotność lub obecność pewnych substancji napędzających jego ruch-wyjaśnia. Ponadto obrzęk i skurcz w osłonie, która jest najdalej od centrum włókna, wywrze większy wpływ niż równoważne zmiany w pobliżu rdzenia włókna.
w przeciwieństwie do innych zespołów, Baughman i jego koledzy opracowali włókna, które reagują na więcej niż tylko zmiany temperatury. Niektóre opuszki mięśniowe, które pęcznieją po wystawieniu na działanie pary etanolu; inne były fornirowane materiałem, który kurczy się po namoczeniu w roztworze glukozy. Tego rodzaju włókna mogą być używane do otwierania lub zamykania zaworów w urządzeniach medycznych lub do ściskania małej torebki i dozowania leku. Włókna, które reagują na pot lub parę wodną, mogą być wplecione w” inteligentne tkaniny”, które dostosowują szczelność ich splotu, aby stać się bardziej oddychające w gorących, wilgotnych warunkach, mówi Baughman. Alternatywnie powłoki, które reagują na szkodliwe opary, mogą zaciskać splot tkaniny, aby chronić ludzi reagujących na wyciek chemikaliów.
„Ta technologia ma bardzo świetlaną przyszłość.”
