Fibrele nanostructurate pot imita mușchii umani

Mimarea corpului uman, în special a dispozitivelor de acționare care controlează mișcarea mușchilor, este de mare interes pe tot globul. În ultimii ani, a condus la multe inovații pentru îmbunătățirea roboticii, a membrelor protetice și multe altele, dar crearea acestor dispozitive de acționare implică de obicei procese complexe, cu materiale scumpe și greu de găsit. Cercetătorii de la Universitatea Texas din Austin și Penn State University au creat un nou tip de fibră care poate funcționa ca un actuator muscular, în multe privințe mai bine decât alte opțiuni care există astăzi. Și, cel mai important, aceste fibre asemănătoare mușchilor sunt ușor de făcut și reciclat. Într-o nouă lucrare publicată în Nature Nanotechnology („Muşchii de copolimer în bloc nanostructuraţi”), cercetătorii au arătat că aceste fibre, pe care le-au descoperit iniţial în timp ce lucrau la un alt proiect, sunt mai eficiente, mai flexibile şi mai capabile să facă faţă solicitărilor crescute în comparaţie cu ceea ce există acolo. astăzi. Aceste fibre ar putea fi utilizate într-o varietate de moduri, inclusiv în medicină și robotică.

Sursa foto: Penn State University / The University of Texas at Austin

„Practic, puteți construi un membru din aceste fibre într-un robot care răspunde la stimuli și returnează puterea, în loc să utilizați un motor mecanic pentru a face acest lucru, și asta este bine pentru că atunci va avea o atingere mai moale”, a spus Manish Kumar, un asociat. profesor la Departamentul de Inginerie Civilă, Arhitecturală și de Mediu al Cockrell School of Engineering și unul dintre autorii principali ai lucrării. Acest tip de braț robotic ar putea fi folosit într-un exoschelet de asistență pentru a ajuta persoanele cu brațe slabe să-și recapete mișcarea și forța. O altă aplicație potențială, spun cercetătorii, ar putea fi un fel de „pansament cu auto-închidere” care ar putea fi folosit în proceduri chirurgicale și se poate degrada în mod natural în interiorul corpului odată ce rana se vindecă. „Actuatorii sunt orice material care se va schimba sau se deforma sub orice stimul extern, cum ar fi părți ale unei mașini care se vor contracta, se vor îndoi sau se vor extinde”, a spus Robert Hickey, profesor asistent de știința materialelor și inginerie la Penn State și autor corespondent al lucrării. . „Și pentru tehnologii precum robotica, trebuie să dezvoltăm versiuni moi și ușoare ale acestor materiale care pot acționa practic ca mușchi artificiali. Munca noastră este într-adevăr să găsim o nouă modalitate de a face acest lucru.” Materialul fibros este cunoscut ca un copolimer bloc. Crearea acestuia necesită doar punerea polimerului într-un solvent și apoi adăugarea de apă. O parte a polimerului este hidrofilă (atrasă de apă), în timp ce cealaltă parte este hidrofobă (rezistentă la apă). Părțile hidrofobe ale polimerului se grupează împreună pentru a se proteja de apă, creând structura fibrei. Fibrele similare existente necesită un curent electric pentru a stimula reacțiile care leagă părțile între ele. Această reticulare chimică este mai greu de realizat, în comparație cu noua fibră a cercetătorilor, care este o reacție mecanică, ceea ce înseamnă că piesele se ocupă de cea mai mare parte a lucrării. Un alt bonus suplimentar este că este simplu să inversezi procesul și să readuci bucățile de fibră la starea lor inițială.

„Ușurința de a face aceste fibre din polimer și reciclabilitatea lor sunt foarte importante și este un aspect pe care o mare parte din celelalte cercetări complicate asupra mușchilor artificiali nu îl acoperă”, a spus Kumar. Cercetătorii au descoperit că fibrele lor erau cu 75% mai eficiente în ceea ce privește conversia energiei în mișcare, capabile să facă față cu 80% mai multă efort și se puteau roti cu mai multă viteză și forță decât actuatoarele actuale. Și se poate întinde la mai mult de 900% din lungime înainte de a se rupe. Descoperirea a venit în timp ce cercetătorii lucrau la altceva. Ei încercau să folosească acești polimeri pentru a face membrane pentru filtrarea apei. Cu toate acestea, structurile pe care le-au realizat erau prea lungi pentru membrane. S-au întins la cinci ori lungimea lor inițială și au ținut acea lungime. Cercetătorii au observat că aceste caracteristici erau similare cu țesutul muscular, așa că au decis să-și schimbe atenția. Cercetătorii sunt la începutul proiectului și urmăresc să învețe mai multe despre modificările structurale ale polimerului și să îmbunătățească unele dintre proprietățile de acționare, inclusiv densitatea și viteza de energie. De asemenea, ei pot folosi aceeași tehnică de proiectare pentru a crea dispozitive de acționare care răspund la diferiți stimuli, cum ar fi lumina. Sursa: nanowerk.com