keinotekoiset” lihakset ” saavuttavat voimakkaan vetävän voiman

kun kurkkukasvi kasvaa, se itää tiiviisti kietoutuneita lonkeroita, jotka etsivät tukia vetääkseen kasvia ylöspäin. Näin varmistetaan, että kasvi saa mahdollisimman paljon auringonvaloa. Nyt mit: n tutkijat ovat löytäneet tavan jäljitellä tätä kelaus-ja vetomekanismia, joka tuottaa supistuskuituja, joita voitaisiin käyttää robottien, proteesien tai muiden mekaanisten ja biolääketieteellisten sovellusten keinotekoisina lihaksina.

vaikka keinotekoisten lihasten luomiseen on käytetty monia eri lähestymistapoja, kuten hydraulijärjestelmiä, servomoottoreita, muotomuistimetalleja ja ärsykkeisiin reagoivia polymeerejä, niillä kaikilla on rajoituksensa, kuten suuri paino tai hidas vasteaika. Uusi kuitupohjainen järjestelmä sen sijaan on erittäin kevyt ja voi reagoida hyvin nopeasti, tutkijat sanovat. Löydöksistä uutisoi tänään Science-lehti.

uudet kuidut kehittivät MIT postdoc Mehmet Kanik ja MIT: n jatko-opiskelija Sirma Örgüç yhdessä professorien Polina Anikeevan, Yoel Finkin, Anantha Chandrakasanin ja C. CEM Taşanin sekä viiden muun kanssa käyttäen kuitupiirustustekniikkaa kahden erilaisen polymeerin yhdistämiseksi yhdeksi kuitusäikeeksi.

prosessin avain on pariutua kahden materiaalin kanssa, joilla on hyvin erilaiset lämpölaajenemiskertoimet — eli niillä on eri laajenemisnopeus kuumennettaessa. Tämä on sama periaate, jota käytetään monissa termostaateissa, esimerkiksi käyttämällä bimetalliliuskaa keinona mitata lämpötilaa. Kun yhdistetty materiaali kuumenee, toinen materiaali pidättelee kylkeä, joka haluaa laajentua nopeammin. Tämän seurauksena sidottu materiaali kaartuu ylöspäin taivuttaen kohti hitaammin laajenevaa kylkeä.

luotto: Tutkijat

käyttivät kahta eri polymeeriä toisiinsa sidottuna, hyvin venyvää syklistä kopolymeerielastomeeriä ja paljon jäykempää termoplastista polyeteeniä, Kanik, Örgüç ja kollegat tuottivat kuitua, joka venyessään useita kertoja alkuperäiseen pituuteensa muodostuu luonnostaan tiiviiksi kelaksi, joka on hyvin samanlainen kuin kurkkujen tuottamat lonkerot. Mutta se, mitä seuraavaksi tapahtui, tuli oikeastaan yllätyksenä, kun tutkijat kokivat sen ensimmäisen kerran. ”Tässä oli paljon serendipisyyttä”, Anikeeva muistelee.

heti, kun Kanik haki ensimmäistä kertaa käärittyä kuitua, pelkästään hänen kätensä lämpö sai kuidun käpertymään tiukemmin. Tämän havainnon jälkeen hän havaitsi, että pienikin lämpötilan nousu voisi saada käämin kiristymään, mikä tuottaisi yllättävän voimakkaan vetovoiman. Sitten, heti kun lämpötila laski, kuitu palasi alkuperäiseen pituuteensa. Myöhemmissä testeissä tiimi osoitti, että tämä supistumis-ja laajentumisprosessi voitiin toistaa 10 000 kertaa ”ja se meni edelleen vahvasti”, Anikeeva sanoo.

luotto: Tutkijoiden luvalla

yksi syy pitkäikäisyyteen on hänen mukaansa se, että” kaikki toimii hyvin maltillisissa olosuhteissa”, mukaan lukien alhaiset aktivaatiolämpötilat. Jo 1 celsiusasteen nousu voi riittää aloittamaan kuidun supistumisen.

kuidut voivat olla hyvin erikokoisia, muutaman mikrometrin (miljoonasosan metristä) muutaman millimetrin (tuhannesosan metriin) levyisiä, ja niitä voidaan helposti valmistaa jopa satojen metrien pituisissa erissä. Testit ovat osoittaneet, että yksi kuitu pystyy nostamaan jopa 650-kertaisia kuormia oman painonsa verran. Näitä yksittäisiä kuituja koskevia kokeita varten Örgüç ja Kanik ovat kehittäneet omat, miniatyrisoidut testausjärjestelyt.

Krediitti: tutkijoiden luvalla

kuidun kuumentamisen yhteydessä tapahtuva kiristysaste voidaan ”ohjelmoida” määrittämällä, kuinka paljon alkujännitystä kuidulle annetaan. Tämä mahdollistaa materiaalin virittämisen täsmälleen tarvittavan voiman määrän ja lämpötilan muutoksen määrän mukaan, joka tarvitaan tämän voiman laukaisemiseksi.

kuidut valmistetaan kuituvetojärjestelmällä, joka mahdollistaa muiden komponenttien liittämisen itse kuituun. Kuitupiirros tehdään luomalla materiaalista ylimitoitettu versio, jota kutsutaan esimuodoksi, joka sitten kuumennetaan tiettyyn lämpötilaan, jossa materiaalista tulee viskoosia. Se voidaan sitten vetää, aivan kuten vetämällä toffeeta, luoda kuitua, joka säilyttää sisäisen rakenteensa, mutta on pieni murto-osa esimuodon leveydestä.

testaustarkoituksessa tutkijat päällystivät kuidut sähköä johtavien nanolankojen silmillä. Näitä silmiä voidaan käyttää antureina, jotka paljastavat kuidun kokeman tai kohdistaman jännityksen. Tulevaisuudessa näihin kuituihin voisi kuulua myös vastuksia, kuten optisia kuituja tai elektrodeja, jotka tarjoavat tavan kuumentaa sitä sisäisesti tarvitsematta turvautua mihinkään ulkopuoliseen lämmönlähteeseen aktivoidakseen ”lihaksen supistumisen.”

tällaiset kuidut voisivat löytää käyttökohteita robottikäsien, jalkojen tai tarttujien toimilaitteina sekä proteesiraajoissa, joissa niiden vähäinen paino ja nopeat vasteajat voisivat tarjota merkittävän edun.

jotkin proteesiraajat voivat nykyään painaa jopa 30 kiloa, ja suuri osa painosta tulee toimilaitteista, jotka ovat usein pneumaattisia tai hydraulisia; kevyemmät toimilaitteet voisivat siten helpottaa proteeseja käyttävien elämää huomattavasti. Sellaisille kuiduille voisi löytyä käyttöä myös pienissä biolääketieteellisissä laitteissa, kuten lääkintärobotissa, joka toimii menemällä valtimoon ja sitten aktivoitumalla”, Anikeeva arvelee. ”Meillä aktivointiajat ovat kymmenistä millisekunneista sekunteihin”, riippuen mitoista, hän sanoo.

suuremman lujuuden saamiseksi raskaampien kuormien nostamiseen kuidut voidaan niputtaa yhteen, paljolti samoin kuin lihassyyt niputetaan kehoon. Tiimi testasi onnistuneesti 100 kuidun nippuja. Kuitupiirroksen kautta kuituihin voitaisiin liittää myös sensoreita, jotka antaisivat palautetta esimerkiksi proteesin raajassa kohtaamistaan olosuhteista. Örgüçin mukaan niputetut lihassyyt suljetun kierron palautemekanismilla voisivat löytää sovelluksia robottijärjestelmistä, joissa tarvitaan automaattista ja tarkkaa ohjausta.

Kanik sanoo, että mahdollisuudet tämäntyyppisille materiaaleille ovat käytännössä rajattomat, koska lähes mikä tahansa kahden eri lämpölaajenemisnopeuksilla varustetun materiaalin yhdistelmä voisi toimia, jolloin tutkittavaksi jäisi valtava määrä mahdollisia yhdistelmiä. Hän lisää, että tämä uusi löytö oli kuin uuden ikkunan avaaminen, vain nähdä ”nippu muita ikkunoita” odottamassa avaamista.

”tämän teoksen vahvuus tulee sen yksinkertaisuudesta”, hän sanoo.

joukkueeseen kuuluivat myös MIT: n jatko-opiskelija Georgios Varnavides, postdoc Jinwoo Kim sekä perustutkinto-opiskelijat Thomas Benavides, Dani Gonzalez ja Timothy Akintlio. Työtä tukivat National Institute of Neurological Disorders and Stroke ja National Science Foundation.