a mesterséges” izmok ” erőteljes húzóerőt érnek el

ahogy az uborka növény növekszik, szorosan tekercselt indákat hajt ki, amelyek támaszokat keresnek a növény felfelé húzása érdekében. Ez biztosítja, hogy a növény a lehető legtöbb napfényt kapja. Most az MIT kutatói megtalálták a módját, hogy utánozzák ezt a tekercselő-húzó mechanizmust, hogy olyan összehúzódó szálakat hozzanak létre, amelyek mesterséges izmokként használhatók robotok, protézis végtagok vagy más mechanikai és Orvosbiológiai alkalmazások számára.

bár sok különböző megközelítést alkalmaztak a mesterséges izmok létrehozására, beleértve a hidraulikus rendszereket, a szervomotorokat, az alakmemória fémeket és az ingerekre reagáló polimereket, mindegyiknek vannak korlátai, beleértve a nagy súlyt vagy a lassú válaszidőt. Az új rost alapú rendszer Ezzel szemben rendkívül könnyű, és nagyon gyorsan reagálhat, mondják a kutatók. Az eredményekről ma a Science folyóiratban számolnak be.

Az új szálakat az MIT postdoc Mehmet Kanik és az MIT végzős hallgatója, Sirma Xhamrg Adapterek fejlesztették ki, Polina Anikeeva, Yoel Fink, Anantha Chandrakasan és C. CEM Ta Apostlan professzorokkal és öt másik professzorral együttműködve, szálhúzási technikával, hogy két különböző polimert egyetlen szálba egyesítsenek.

a folyamat kulcsa két olyan anyag párosítása, amelyek hőtágulási együtthatói nagyon eltérőek — Vagyis hevítéskor eltérő tágulási sebességük van. Ez ugyanaz az elv, amelyet sok termosztátban használnak, például egy bimetál szalagot használnak a hőmérséklet mérésére. Amint az összekapcsolt anyag felmelegszik, a másik anyag visszatartja azt az oldalt, amely gyorsabban akar tágulni. Ennek eredményeképpen a ragasztott anyag felfelé hajlik, hajlítva a lassabban bővülő oldal felé.

hitel: A kutatók jóvoltából

két különböző polimert, egy nagyon nyújtható ciklikus kopolimer elasztomert és egy sokkal merevebb hőre lágyuló polietilént használva a Kanik, az inak és a kollégák olyan rostot állítottak elő, amely az eredeti hosszának többszörösére nyújtva természetesen szoros tekercsbe formálódik, nagyon hasonló az uborka által termelt indákhoz. De ami ezután történt, valójában meglepetés volt, amikor a kutatók először megtapasztalták. “Ebben nagyon sok szerendipitás volt” – emlékszik vissza Anikeeva.

amint Kanik először felvette a tekercselt rostot, önmagában a keze melege miatt a rost szorosabban összegömbölyödött. Ezt a megfigyelést követően megállapította, hogy még egy kis hőmérséklet-emelkedés is meghúzhatja a tekercset, meglepően erős húzóerőt produkálva. Aztán, amint a hőmérséklet visszaesett, a szál visszatért eredeti hosszába. A későbbi tesztek során a csapat megmutatta, hogy ez a szerződéskötési és bővítési folyamat 10 000-szer megismételhető, “és még mindig erős volt” – mondja Anikeeva.

hitel: A kutatók jóvoltából

a hosszú élettartam egyik oka az, hogy “minden nagyon mérsékelt körülmények között működik”, beleértve az alacsony aktiválási hőmérsékletet is. Csak 1 Celsius fokos növekedés elegendő lehet a rost összehúzódásának megkezdéséhez.

a szálak széles méretválasztékot ölelhetnek fel, néhány mikrométer (méter milliomod része) és néhány milliméter (méter ezredrésze) szélességűek, és könnyen gyárthatók akár több száz méter hosszú tételekben is. A tesztek kimutatták, hogy egyetlen szál képes a saját súlyának akár 650-szeresének emelésére. Az egyes szálakon végzett kísérletekhez az Evolution-RG és a Kanik dedikált, miniatürizált tesztelési beállításokat fejlesztett ki.

hitel: a kutatók jóvoltából

a szál melegítésekor bekövetkező szigorítás mértéke “programozható” annak meghatározásával, hogy a kezdeti szakasz mekkora részét adja a rostnak. Ez lehetővé teszi, hogy az anyagot pontosan a szükséges erő mennyiségére és az erő kiváltásához szükséges hőmérsékletváltozásra hangolják.

a szálak szálhúzó rendszer alkalmazásával készülnek, amely lehetővé teszi más komponensek beépítését magába a szálba. A szálhúzás az anyag túlméretezett változatának létrehozásával történik, amelyet előformának neveznek, amelyet ezután egy meghatározott hőmérsékletre melegítenek, amelyen az anyag viszkózus lesz. Ezután húzható, hasonlóan a taffy húzásához, hogy olyan rostot hozzon létre, amely megtartja belső szerkezetét, de az előforma szélességének kis része.

vizsgálati célokra a kutatók a szálakat vezetőképes nanovezetékek hálójával vonták be. Ezek a hálók érzékelőként használhatók a szál által tapasztalt vagy kifejtett pontos feszültség feltárására. A jövőben ezek a szálak tartalmazhatnak fűtőelemeket, például optikai szálakat vagy elektródákat is, amelyek lehetővé teszik annak belső melegítését anélkül, hogy bármilyen külső hőforrásra kellene támaszkodniuk az “izom” összehúzódásának aktiválásához.”

Az ilyen szálak működtetőként alkalmazhatók robotkarokban, lábakban vagy megfogókban, valamint protézis végtagokban, ahol kis súlyuk és gyors reakcióidejük jelentős előnyt jelenthet.

néhány protézis végtag ma akár 30 fontot is nyomhat, a súly nagy része a működtetőkből származik, amelyek gyakran pneumatikusak vagy hidraulikusak; a könnyebb súlyú működtetők így sokkal könnyebbé tehetik az életet azok számára, akik protézist használnak. Az ilyen rostokat apró orvosbiológiai eszközökben is felhasználhatják, például egy orvosi robotban, amely úgy működik, hogy bemegy egy artériába, majd aktiválódik” – javasolja Anikeeva. “Az aktiválási idő tíz milliszekundum-másodperc nagyságrendű” – mondja a méretektől függően.

annak érdekében, hogy nagyobb erőt biztosítson a nehezebb terhek emeléséhez, a rostok összekapcsolhatók, ugyanúgy, mint az izomrostok a testben. A csapat sikeresen tesztelte a 100 szálból álló kötegeket. A szálhúzási folyamat révén érzékelőket is be lehet építeni a szálakba, hogy visszajelzést adjanak az általuk tapasztalt körülményekről, például egy protézis végtagban. A DSG szerint a zárt hurkú visszacsatolási mechanizmussal összekapcsolt izomrostok olyan robotrendszerekben találhatnak alkalmazásokat, ahol automatizált és pontos vezérlésre van szükség.

Kanik azt mondja, hogy az ilyen típusú anyagok lehetőségei gyakorlatilag korlátlanok, mert két különböző hőtágulási sebességű anyag szinte bármilyen kombinációja működhet, így a lehetséges kombinációk hatalmas birodalma felfedezhető. Hozzáteszi, hogy ez az új megállapítás olyan volt, mint egy új ablak megnyitása, csak látni “egy csomó más ablakot”, amely nyitva vár.

“ennek a munkának az ereje az egyszerűségéből származik” – mondja.

a csapat tagja volt az MIT végzős hallgatója, Georgios Varnavides, posztdoktori Jinwoo Kim, valamint Thomas Benavides, Dani Gonzalez és Timothy Akintlio. A munkát a National Institute of Neurological Disorders and Stroke és a National Science Foundation támogatta.