chiar dacă electronica s-a micșorat din ce în ce mai mult, motoarele, Hidraulica și alte gadgeturi folosite pentru a conduce mișcarea au rezistat cu încăpățânare tendinței. Este dificil să se realizeze și să se asambleze mecanisme minuscule care să asigure forțele și să se ocupe de tensiunile necesare pentru a conduce piese mobile excepțional de mici. În această săptămână în știință, mai multe echipe de cercetători prezintă studii care descriu progresele în realizarea micilor mușchi artificiali—toți care folosesc fibre răsucite mici pentru a stoca și elibera energie. Fibrele ar putea fi folosite în orice, de la roboți miniaturali la supape în dispozitivele medicale.
aceste fibre, care includ adesea polimeri ușori, cum ar fi nylonul sau polietilena de înaltă densitate, pot fi mai puternice, pe baza greutății lor, decât mușchii umani. Pe măsură ce se contractă, unii pot ridica mai mult de 1.000 de ori masa proprie, spune Sameh Tawfick, inginer mecanic la Universitatea Illinois din Urbana-Champaign. Fibrele permit inginerilor să stocheze multă energie într-un spațiu mic, ceea ce „le permite să facă lucruri pe care altfel nu le pot face”, notează Tawfick, care a fost co-autor al unei perspective asupra studiilor publicate în același număr al științei.
unul dintre noile modele de mușchi artificiali este, în esență, o versiune mică, de înaltă tehnologie, a benzilor de cauciuc folosite pentru a propulsa avioanele din lemn de balsa. Dar aceste fibre nu necesită înfășurare de fiecare dată când sunt utilizate, spune Jinkai Yuan, om de știință în materiale la Universitatea din Bordeaux din Franța și coautor al unuia dintre studii. În schimb, acestea sunt realizate dintr-un polimer de” memorie de formă ” care se răsucește și se desface pe măsură ce temperatura materialului se schimbă.
Iată cum echipa lui Yuan și-a făcut mușchii: în primul rând, cercetătorii au încălzit o fibră lungă de doi centimetri, cu diametrul de 40 de microni, dintr-un material numit alcool polivinilic (PVA) deasupra așa-numitei sale temperaturi de programare. (Peste această temperatură, Materialul ia în mod natural o formă; sub el, materialul poate lua altul. Dacă temperaturile fluctuează în jurul acestui prag, Materialul alternează între cele două forme.) După răsucirea fibrei pentru a stoca energie, au răcit-o pentru a-i îngheța forma. Când fibra a fost din nou încălzită peste temperatura de programare, aceasta s-a dezlănțuit rapid la forma sa originală, spune Yuan.
deși o fibră PVA ar putea stoca o cantitate substanțială de energie, echipa a constatat că adăugarea de fulgi de oxid de grafen de trei până la cinci microni la material i-a permis să blocheze și mai mult. Acest lucru se datorează faptului că acei fulgi s—ar flexa—și astfel ar stoca energie, așa cum ar putea fi un arc-atunci când fibra a fost mai întâi răsucită, dar apoi eliberează acea energie pe măsură ce nu a fost răsucită. În testele de laborator ale echipei, o fibră care nu se răsucește a rotit un pic de hârtie la 600 de rotații pe minut timp de cinci secunde. Pentru a demonstra capacitatea de stocare a energiei fibrei, echipa a folosit una pentru a propulsa o barcă de jucărie. Într-o notă mai practică, acest tip de mușchi artificial ar putea, de asemenea, să deschidă și să închidă supape mici în dispozitivele medicale, sugerează Yuan.
în timp ce fibrele făcute de Yuan și colegii săi oferă Cuplu Pe măsură ce se răsucesc și se răsucesc, mușchii artificiali dezvoltați de alte echipe lucrează mai mult ca mușchii reali: lucrează trăgând sau ridicând obiecte. O echipă condusă de cercetători de la Institutul de Tehnologie din Massachusetts a creat fibre care se pot întinde mai mult de 1.000% din dimensiunea lor inițială și pot ridica de peste 650 de ori greutatea proprie. Acestea funcționează pe un principiu similar cu benzile bimetalice din termostatele timpurii: fibra este realizată prin lipirea a două materiale care se extind la rate radical diferite pe măsură ce temperatura mediului lor se schimbă, spune Polina Anikeeva, om de știință în materie de materiale la MIT și autor principal al acestui studiu.
noul mușchi artificial al echipei sale conține o polietilenă de înaltă densitate (HDPE), același tip de plastic folosit pentru fabricarea sticlelor reciclabile. De asemenea, are un alt material, un tip elastic de polimer cunoscut sub numele de elastomer, spune Anikeeva. Deoarece blocurile mici ale acestor substanțe sunt încălzite și trase printr-o duză îngustă, ele se leagă și sunt întinse într-o fibră lungă și subțire. Când tensiunea din fibră este eliberată, elastomerul se micșorează la dimensiunea inițială. Această schimbare, la rândul său, face ca fibra să se înfășoare într-o formă asemănătoare unui arc care seamănă cu un cablu de telefon vechi. Pe măsură ce fibra este încălzită sau răcită, HDPE se extinde sau se contractă de aproximativ cinci ori mai repede decât elastomerul de care este legat, ceea ce tinde să scurteze sau să crească lungimea totală a fibrei înfășurate.
când Anikeeva și colegii ei și-au încălzit una dintre fibre cu 14 grade Celsius în patru secunde, mușchiul artificial s-a micșorat în lungime totală cu 50%. În alte teste, echipa a încălzit și răcit fibrele pentru a ridica greutăți ușoare sau pentru a flexa un braț robotic mic. Deși aceste teste au ridicat greutăți de dimensiuni gram, mănunchiuri masive de astfel de fibre ar putea fi folosite pentru a efectua ridicarea sau tragerea mai grele, spune Anikeeva. Fibrele cu diametru mai mare, sau mănunchiuri din ele, ar putea găsi utilizări în robotică sau membre protetice, observă ea.
o altă echipă care și-a raportat activitatea în știința din această săptămână a abordat mușchii artificiali într-un mod total diferit. Deși dispozitivele sale au fost construite în jurul unui miez de fibre răsucite, partea activă a mușchiului era de fapt o teacă subțire de material care înconjura miezul. Utilizarea unei astfel de teacă a avut mai multe beneficii, spune Ray Baughman, lider de echipă și om de știință în materie de materiale la Universitatea Texas din Dallas. În primul rând, observă el, permite inginerilor să folosească materiale mai ieftine pentru miezul unei fibre. El și colegii săi au dezvoltat mușchi conduși de teacă construiți în jurul miezurilor din fire de nailon, mătase și bambus. Testele lor arată că alegerea materialului pentru miezul unei fibre nu are un impact dramatic asupra performanței sale.
există și alte motive pentru a construi mușchii conduși de teacă, spune Baughman. Exteriorul fibrei este locul în care stimulii de mediu, cum ar fi umiditatea sau prezența anumitor substanțe care îi conduc mișcarea, vor fi resimțiți mai repede, explică el. De asemenea, umflarea și contracția în teacă, care este cea mai îndepărtată de centrul fibrei, vor exercita mai multă pârghie decât modificările echivalente în apropierea miezului fibrei.
spre deosebire de celelalte echipe, Baughman și colegii săi au dezvoltat fibre care răspund la mai mult decât la schimbările de temperatură. Unele teci musculare sportive care se umflă atunci când sunt expuse la vapori de etanol; altele au fost furniruite cu un material care se micșorează atunci când este înmuiat într-o soluție de glucoză. Aceste tipuri de fibre ar putea fi folosite pentru a deschide sau închide supapele în dispozitivele medicale sau pentru a stoarce o pungă mică și a distribui un medicament. Fibrele care răspund la transpirație sau vapori de apă ar putea fi țesute în „țesături inteligente” care ajustează etanșeitatea țesăturii lor pentru a deveni mai respirabile în condiții calde și umede, spune Baughman. Alternativ, acoperirile care răspund la vaporii nocivi ar putea strânge țesătura unei țesături pentru a proteja persoanele care răspund la o deversare chimică.
„sunt extrem de încântat de evoluțiile” raportate de aceste echipe, spune Tawfick. „Această tehnologie are un viitor foarte luminos.”
