Potężne mięśnie z żyłki wędkarskiej

coil

Międzynarodowy zespół kierowany przez naukowców z University of Texas w Dallas odkrył, że zwykłe żyłki i nici do szycia można tanio przekształcić w bardzo silne, „sztuczne mięśnie”. Odpowiednio skręcone i zwinięte włókna z polimeru o stosunkowo dużej wytrzymałości mogą zrewolucjonizować robotykę, a być może kiedyś nasze własne ciała.

Najnowsze gadżety technologiczne zwykle są zwiastunem egzotycznych i drogich materiałów. Jednak nie tym razem. W tym przypadku, badacze wykorzystali m.in. stosowane powszechnie oraz dobrze poznane materiały polimerowe, a mianowicie włókna polietylenowe i poliamidowe. Określenie „sztuczne mięśnie” odnosi się tutaj do materiałów, które m.in. dzięki termicznej aktywacji (np. po podgrzaniu) kurczą się i skręcają. Po odjęciu bodźca wracają one do pierwotnego kształtu. Inżynierowie pracujący wcześniej nad podobnymi konstrukcjami lecz z nanorurek węglowych uznali, że mogą zmniejszyć koszty przez zaprojektowanie prostszego procesu produkcyjnego i użycie materiałów, które za niewielką cenę można nabyć w prawie każdym sklepie sportowym. Szczegółowe wyniki badań zostały opublikowane w prestiżowym czasopiśmie Science, 21 lutego 2014 roku.

Jednymi z bardziej popularnych materiałów na syntetyczne mięśnie są tzw. materiały z pamięcią kształtu (np. stopy niklowo-tytanowe Ni-Ti, popularny Nitinol). Niestety, tego typu stopy mogą kosztować nawet 5000 dolarów za kilogram. Natomiast potężniejsze konstrukcje złożone z jednościennych nanorurek węglowych (z ang. single-wall carbon nanotubes, SWCNTs) są póki co nieosiągalne, ze względu na brak odpowiedniej metody wytwarzania na skalę przemysłową.

Odpowiednim rozwiązaniem według naukowców mogą być konwencjonalne tworzywa sztuczne o konkretnej budowie. Polimery krystaliczne i półkrystaliczne zawierają obszary z uporządkowanym upakowaniem makrocząsteczek oraz obszary amorficzne, bezpostaciowe (cieczy przechłodzonej). Poszczególne łańcuchy polimeru układają się równolegle do osi włókna z tworzywa sztucznego. Polimerowe nici, np. z poliamidu 6 i 6,6 (nylonu) lub polietylenu są anizotropowe. Zapewniają skurcz termiczny w kierunku osi włókna i dużo większą rozszerzalność cieplną w kierunku promieniowym podczas ogrzewania. Wcześniej przygotowane zwoje z nici lub żyłek, poddane ogrzewaniu ulegały skurczeniu w kierunku osi i rozszerzeniu w kierunku promieniowym. Doprowadzenie ciepła do cewki powodowało zmianę długości nawet o 49%, czyli ponad dwa razy więcej niż skurcz w naturalnych mięśniach (około 20%). Po ochłodzeniu „plastikowe” mięśnie wracały pierwotnej długości. Połączenie w przędzę kilku polietylenowych żyłek (o łącznej średnicy tylko około 10 razy większej niż posiada ludzki włos) skutkowało wytworzeniem mięśnia, który mógł przenieść bez uszkodzeń przedmiot ważący 7,2 kilograma. Jak twierdzą badacze, siatka ze stu takich elementów podniosła element o masie 725 kg.

Sztuczne mięśnie mogą być uruchamiane przez szereg bodźców (napięcie elektryczne, absorpcję światła lub reakcje chemiczne), ale wspólnym mianownikiem aktywacji jest ciepło. Aby przyspieszyć transfer ciepła można użyć metalowej powłoki lub rdzenia. Zespół badawczy wykazał możliwości wykorzystania włókien w automatycznym otwieraniu i zamykaniu okien i drzwi w szklarniach. W odpowiedzi na zmiany temperatury otoczenia, mięśnie regulowały dopływ chłodniejszego powietrza, eliminując w ten sposób konieczność stosowania głośnych i kosztownych napędów zasilanych przez prąd. Włókna zostały wykorzystane również do kontroli kleszczy chirurgicznych.

Przez splatanie i skręcanie nici ze sobą na różne sposoby, można utworzyć ogromny poziom zmienności cech mięśni. Prawdopodobnie najważniejszymi ich zaletami są cena (5 dolarów za kilogram) oraz skalowalność procesu produkcji. Przekłada się to na szerokie pole realizacji od nano do makroskali. Możliwe zastosowania wymieniane przez inżynierów, to: syntetyczna muskulatura dla humanoidalnych robotów, projektowanie realistycznych mięśni twarzy, tekstylia, z możliwością zmiany porowatości, protetyka tkankowa, filtry gazu lub cieczy, otwierające się i zamykające w zależności od temperatury, sterowanie protez i urządzeń medycznych oraz produkcja bardziej wydajnych „laboratoriów na chipie” (z ang. Lab on a Chip – LoC, skomplikowanych mikrosystemów umieszczonych w chipie układu scalonego).

Badacze są przekonani, że wszechstronne, niedrogie i łatwe do odtworzenia narzędzia szybko pojawią się w rzeczywistych aplikacjach. Zespół skupia się obecnie na zwiększeniu efektywności swoich sztucznych mięśni. Naukowcy zastanawiają się również nad przyspieszeniem działania siłownika przez chłodzenie w cieczy.

Proces tworzenia zwoju z włókna polimeru.

Sterowanie kleszczami chirurgicznymi za pomocą nici.

Testy z obciążeniem.

Sposób działania polimerowych „sztucznych mięśni”.

Źródło:
[1] C. S. Haines, M. D. Lima, N. Li, G. M. Spinks, J. Foroughi, J. D. W. Madden, S. H. Kim, S. Fang, M. Jung de Andrade, F. Goktepe, O. Goktepe, S. M. Mirvakili, S. Naficy, X. Lepro, J. Oh, M. E. Kozlov, S. J. Kim, X. Xu, B. J. Swedlove, G. G. Wallace, R. H. Baughman. Artificial Muscles from Fishing Line and Sewing Thread. Science, 2014; 343 (6173): 868 DOI: 10.1126/science.1246906
[2] http://www.utdallas.edu/news/2014/2/21-28701_Researchers-Create-Powerful-Muscles-From-Fishing-L_story-wide.html [25.02.2014]
[3] http://www.popularmechanics.com/science/health/breakthroughs/synthetic-muscle-made-of-fishing-line-is-100-times-stronger-than-the-real-thing-16514805 [25.02.2014]
[4] http://news.sciencemag.org/chemistry/2014/02/spinning-yarn-muscles [25.02.2014]
[5] http://www.sciencemag.org/content/343/6173/868.abstract [25.02.2014]
[6] http://www.sciencemag.org/content/suppl/2014/02/19/343.6173.868.DC1/Haines.SM.pdf [25.02.2014]
[7] Blue Coils by Amanda Slater (amandabhslater), flickr.com, CC BY-SA 2.0

Dodaj pierwszy komentarz

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *