Naukowcy z Lawrence Berkeley National Laboratory stworzyli biomorficzną, podwójną cewkę na bazie dwutlenku wanadu, która działa jak silny mięsień skręcający. Materiał płynnie zmieniający swoje właściwości napędzany jest termicznie lub elektrotermicznie. Robotyczne włókno mięśniowe jest ponad tysiąc razy silniejsze od ludzkiego odpowiednika.
Dwutlenek wanadu, czyli tlenek wanadu (IV) jest nieorganicznym związkiem o wzorze ogólnym VO2. Naukowy z US Department of Energy (DOE) na Berkeley Lab sugerują, że materiał ze względu na swoje własności gotowy jest na przyłączenie go do panteonu najbardziej wartościowych materiałów na świecie. Okazało się, że ceniony do tej pory za niezwykłe zdolności zmiany rozmiaru, kształtu i tożsamości fizycznej VO2 może symulować pracę mięśni skręcających i działać jak katapulta. Tlenek wanadu ogrzany do temperatury 68°C przechodzi przemianę fazową – zarówno strukturalną, jak i elektryczną, w wyniku której z izolatora (w niskich temperaturach) staje się przewodnikiem elektrycznym. W porównaniu do materiałów o podobnych właściwościach, VO2 zadziwia niską temperaturą przejścia fazowego oraz niewiarygodnie krótkim czasem tej przemiany, mniejszym niż jedna trylionowa sekundy (około 100 femtosekund).
Badacze stworzyli prototyp mikromięśnia na kompozytowej płytce składającej się od dołu z warstwy krzemu, dwutlenku krzemu oraz dwutlenku wanadu (250 nm). Na górze nanieśli wzór z chromu (o grubości 90 nm), w kształcie litery “V”, który łączył końce elektrod cewki. Podwójna cewka powstała na skutek wytrawiania plazmowego składowych warstw płytki. Ogrzewanie mechanizmu powodowało jego aktywację i obrót mikro-katapulty jaką stanowiła cewka. Po podgrzaniu, kryształy dwutlenku wanadu szybko kurczyły się wzdłuż jednego wymiaru, natomiast rozszerzały się wzdłuż dwóch pozostałych. Zmiana rezystancji i kształtu na skutek przejścia fazowego powodowała popchnięcie obiektu znajdującego się na mikromięśniu lub nieco od niego oddalonego. Testy wykazały, że aparatura była w stanie katapultować obiekty 50 razy cięższe na odległość pięciu długości cewki w ciągu 60 milisekund, czyli szybciej niż mrugnięcie oka. Cewka wytrzymała ponad milion cykli bez oznak zużycia. Średnia prędkość rotacji wyniosła około 200 000 obrotów na minutę, amplituda skrętu to wartości w zakresie od 500° do 2000° na milimetr długości, przy gęstości mocy 39 kW/kg. Ogrzewanie zwoju z dwutlenku wanadu odbywało się globalnie, za pomocą małej wkładki grzewczej lub z użyciem prądu elektrycznego doprowadzonego do elektrod. Inżynierowie stwierdzili, że ogrzewanie prądem było bardziej wydajne, gdyż pozwalało na selektywne dostarczanie energii, a procesy nagrzewania i chłodzenia przeprowadzano o wiele szybciej. Ponadto, dwutlenek wanadu absorbuje światło widzialne konwertując go ciepło, więc możliwe staje się optotermiczne zasilanie urządzenia.
Naukowcy podkreślają, ze ich miniaturowy silnik rotacyjny ma tle istniejących wyróżnia duża gęstość mocy oraz wielofunkcyjność. Sugerują również, że dwutlenek wanadu jest idealnym materiałem do tworzenia miniaturowych silników i sztucznych mięśni.
Film prezentuje działanie podwójnej cewki z VO2 (Wideo udostępnione dzięki uprzejmości Junqiao Wu group, Berkeley Lab/UC Berkeley)
Źródło:
[1] Liu, K., Cheng, C., Suh, J., Tang-Kong, R., Fu, D., Lee, S., Zhou, J., Chua, LO and Wu, J. (2013), Powerful, Multifunctional Torsional Micromuscles Activated by Phase Transition. DOI: 10.1002/adma.201304064
[2] http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201304064/abstract [24.12.2013]
[3] http://newscenter.lbl.gov/news-releases/2013/12/19/a-micro-muscular-break-through/ [24.12.2013]
[4] http://en.wikipedia.org/wiki/Vanadium(IV)_oxide [24.12.2013]
[5] Vanadium-oxidiert by P.R. Binter, Wikimedia Commons, Public Domain