Τεχνητοί μύες επιτυγχάνουν ισχυρή δύναμη έλξης

στις

Νέο σύστημα τεχνητών συστελλόμενων ινών θα μπορούσε να ωφελήσει βιοϊατρικές συσκευές και ρομποτική

Αρχική δημοσίευση: MIT News
Επιμέλεια-Μετάφραση: Πυθεύς

-Οι ίνες που κατασκευάστηκαν από ερευνητική ομάδα του ΜΙΤ μπορούν να σηκώσουν 650 φορές το βάρος τους και θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για τον έλεγχο ρομποτικών ή προσθετικών μελών _Credit: Courtesy of the researchers

Κατά την φάση ανάπτυξης του φυτού της αγγουριάς εκφύονται σφιχτά κουλουριασμένοι βλαστοί που αναζητούν στηρίγματα αναρρίχησης που θα τους εξασφαλίσουν την μεγαλύτερη δυνατή έκθεση στο ηλιακό φως. Ερευνητές του ΜΙΤ κατόρθωσαν να προσομοιάσουν το μηχανισμό συσπείρωσης και έλξης για την παραγωγή συστελλόμενων ινών που θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν ως τεχνητοί μύες σε ρομπότ, προσθετικά μέλη ή άλλες μηχανικές και βιοϊατρικές εφαρμογές.

Παρότι πολλές διαφορετικές προσεγγίσεις έχουν χρησιμοποιηθεί για τη δημιουργία τεχνητών μυών, συμπεριλαμβανομένων των υδραυλικών συστημάτων, των σερβοκινητήρων, των μετάλλων μνήμης και των πολυμερικών που αντιδρούν σε ερεθίσματα, όλες έχουν περιορισμούς μεταξύ των οποίων το μεγάλο βάρος ή τους υψηλούς χρόνους απόκρισης. Στον αντίποδα, το νέο σύστημα ινών είναι ασυνήθιστα ελαφρύ και ικανό να αντιδρά τάχιστα, λένε οι ερευνητές. Τα ευρήματα δημοσιεύθηκαν στα επιστημονικά πρακτικά Science.

Η κατασκευή των ινών έγινε με ειδική σχεδιαστική τεχνική ώστε δύο ανόμοια πολυμερή να συναρμόζονται σ᾽ ένα μονό κλώνο. Κλειδί γι᾽ αυτή την διαδικασία είναι το ταίριασμα δύο υλικών που έχουν πολύ διαφορετικούς συντελεστές θερμικής διαστολής, το οποίο σημαίνει ότι έχουν διαφορετικούς ρυθμούς επέκτασης όταν θερμαίνονται. Εδώ πρόκειται για την ίδια αρχή που εφαρμόζεται σε πολλούς θερμοστάτες που χρησιμοποιούν, για παράδειγμα, ένα διμεταλλικό έλασμα σαν τρόπο μέτρησης της θερμοκρασίας. Όταν το ενωμένο υλικό θερμαίνεται, η πλευρά που τείνει να προεκτείνεται γρηγορότερα συγκρατείται από το άλλο υλικό. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα το συζευγμένο υλικό να σγουραίνει, κυρτώνοντας την πλευρά που επεκτείνεται πιο αργά.

Χρησιμοποιώντας δύο διαφορετικά πολυμερή συγκολλημένα μεταξύ τους, ένα πολύ ελατηριωτό κυκλικό συμπολυμερικό ελαστομερές κι ένα πολύ πιο δύσκαμπτο θερμοπλαστικό πολυαιθυλένιο, οι ερευνητές παρήγαγαν μια ίνα η οποία, όταν τεντωθεί για αρκετές φορές το αρχικό της μήκος, συσπειρώνεται με φυσικό τρόπο, παρόμοιο με τους βλαστούς που παράγει η αγγουριά. Αυτό όμως που ακολούθησε στην πραγματικότητα ήρθε σαν έκπληξη για τους ερευνητές που το πρωτοείδαν —μια ευτυχής συγκυρία, όπως χαρακτηρίστηκε.

Credit: Courtesy of the researchers

Μόλις έπιασαν την ίνα για πρώτη φορά, και μόνο η θερμότητα του χεριού τους προκάλεσε την περαιτέρω συσπείρωσή της. Στη συνέχεια αυτής της παρατήρησης διαπιστώθηκε ότι έστω και ελάχιστη αύξηση στη θερμοκρασία, μπορούσε να κάνει το σπείρωμα να συσφιχθεί παράγοντας μια απροσδόκητα ισχυρή δύναμη έλξης. Έπειτα, μόλις η θερμοκρασία έπεσε, η ίνα επέστρεψε στο αρχικό μήκος της. Σε μεταγενέστερες δοκιμές, η ομάδα έδειξε ότι αυτή η διαδικασία συσπείρωσης και προέκτασης μπορούσε να επαναληφθεί 10.000 φορές δίχως να ελαττωθεί η δυναμική της.

Credit: Courtesy of the researchers

Ένας από τους λόγους αυτής της μεγάλης αντοχής είναι ότι τα πάντα λειτουργούν κάτω από πολύ ήπιες συνθήκες, συμπεριλαμβανομένων των χαμηλών θερμοκρασιών ενεργοποίησης. Αύξηση μόλις ενός βαθμού Κελσίου είναι αρκετή για ν’ αρχίσει η συστολή της ίνας. Οι ίνες μπορούν να καλύψουν ευρύ φάσμα μεγεθών, από λίγα εκατομμυριοστόμετρα έως λίγα χιλιοστά πλάτους και μπορούν εύκολα να κατασκευαστούν σε δέσμες μήκους μέχρι και εκατοντάδων μέτρων. Δοκιμές έχουν δείξει ότι μια μεμονωμένη ίνα είναι ικανή να σηκώσει φορτία μέχρι και 650 φορές μεγαλύτερα του βάρους της. Οι εξειδικευμένες, αναγκαίες, πειραματικές διατάξεις αναπτύχθηκαν από τους ερευνητές του εργαστηρίου.

Credit: Courtesy of the researchers

Ο βαθμός συστολής που συμβαίνει όταν η ίνα θερμαίνεται μπορεί να «προγραμματιστεί» με τον καθορισμό του ποσού της αρχικής τάνυσης που θα δωθεί στην ίνα. Αυτό επιτρέπει στο υλικό να ρυθμιστεί ακριβώς στο ποσό της απαιτούμενης δύναμης και σε αυτό της θερμοκρασιακής μεταβολής που απαιτείται για να πυροδοτηθεί η δύναμη αυτή.

Οι ίνες φτιάχνονται με τη χρήση ενός συστήματος σχεδιασμού το οποίο καθιστά εφικτή την συσσωμάτωση άλλων υλικών στην ίδια την ίνα. Ο σχεδιασμός γίνεται με τη δημιουργία μιας υπερμεγέθους εκδοχής του υλικού, που ονομάζεται προσχηματισμός, το οποίο στη συνέχεια θερμαίνεται μέχρι μια ορισμένη θερμοκρασία στην οποία το υλικό γίνεται ιξώδες (ελαστικό). Έπειτα μπορεί να τραβηχθεί, όπως τραβιέται η ισομαλτόζη (στην καραμελοποιία), ώστε να δημιουργηθεί μία ίνα που διατηρεί την εσωτερική της δομή αλλά είναι ένα μικρό κλάσμα του πλάτους του προσχηματισμού.

Στο πλαίσιο των δοκιμών, οι ερευνητές κάλυψαν τις ίνες με πλέγματα αγώγιμων νανοσωλήνων. Αυτά τα πλέγματα μπορούν να χρησιμοποιηθούν σαν αισθητήρες που θα δείχνουν με ακρίβεια την τάση που υφίσταται ή ασκείται από την ίνα. Στο μέλλον, αυτές οι ίνες θα μπορούν να περιλαμβάνουν θερμαντικά στοιχεία όπως οπτικές ίνες ή ηλεκτρόδια, παράγοντας έτσι εσωτερική θερμότητα δίχως να εξαρτώνται από κάποια εξωτερική πηγή για την ενεργοποίηση της «μυικής» συστολής.

Τέτοιες ίνες θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν σαν ενεργοποιητές (actuators) σε ρομποτικούς βραχίονες, σκέλη ή λαβές και σε προσθετικά άκρα, όπου το ανεπαίσθητο βάρος και η ταχεία απόκρισή τους μπορεί να προσδώσει σημαντικό πλεονέκτημα.

Κάποια προσθετικά άκρα σήμερα μπορεί να ζυγίζουν έως και 13 κιλά, με πολύ από το βάρος τους να οφείλεται στους ενεργοποιητές, οι οποίοι συχνά είναι πνευματικοί ή υδραυλικοί· ελαφρύτεροι ενεργοποιητές θα μπορούσαν να κάνουν ευκολότερη τη ζωή εκείνων που χρησιμοποιούν προσθετικά μέλη.

Παρομοίως οι ίνες αυτές θα μπορούσαν να βρούν εφαρμογή σε μικροσκοπικά βιοϊατρικά μηχανήματα, όπως ιατρικά ρομπότ τα οποία εισέρχονται σε κάποια αρτηρία και στη συνέχεια ενεργοποιούνται. Οι χρόνοι ενεργοποίησης που προσφέρουν είναι της τάξης μερικών δεκάδων χιλιοστών του δευτερολέπτου έως και δευτερόλεπτα, αναλόγως των διαστάσεων του εξοπλισμού.

Με στόχο την αύξηση της δύναμης ώστε να σηκώνουν μεγαλύτερα φορτία, οι ίνες μπορούν να ενώνονται σε δέσμες, παρόμοιες με αυτές των μυικών ινών του σώματος. Η ομάδα δοκίμασε με επιτυχία δέσμες 100 ινών.

Κατά την διαδικασία του προσχηματισμού των ινών μπορούν επίσης να συσσωματωθούν αισθητήρες που θα παρέχουν ενδείξεις για τις συνθήκες που αντιμετωπίζουν, όπως σ’ ένα προσθετικό μέλος.

Οι δυνατότητες των υλικών αυτού του τύπου είναι θεωρητικά απεριόριστες, διότι σχεδόν κάθε συνδυασμός δύο υλικών με διαφορετικούς ρυθμούς θερμικής διαστολής μπορεί να είναι επιτυχής, αφήνοντας ένα τεράστιο πεδίο συνδυασμών ανοικτό στην έρευνα. Το νέο εύρημα ήταν σαν το άνοιγμα ενός παραθύρου, μόνο για να δείς μια δέσμη άλλων παραθύρων τα οποία περιμένουν να ανοιχθούν.  Η δύναμη αυτής της εργασίας πηγάζει από την απλότητά της, ειπώθηκε χαρακτηριστικά.

provided by

Εικόνα εξωφύλλου

Τα μικροσκοπικά σπειρώματα στην ίνα που παρουσιάστηκε από τους ερευνητές του MIT τυλίγονται ακόμα πιο σφιχτά όταν θερμαίνονται. Αυτό προκαλεί συστολή της ίνας, παρόμοια με την μυική _Credit: Felice Frankel, edited by MIT News

Ερευνητική ομάδα

  1. Mehmet Kanik
  2. Sirma Orguc
  3. Georgios Varnavides
  4. Jinwoo Kim
  5. Thomas Benavides
  6. Dani Gonzalez
  7. Timothy Akintilo
  8. C. Cem Tasan 
  9. Anantha P. Chandrakasan
  10. Yoel Fink
  11. Polina Anikeeva

Αναφορά

Θέματα