Shkencëtarët krijojnë material të qëndrueshëm për muskujt artificialë fleksibël

Shkencëtarët dhe kolegët e materialeve të UCLA në institutin jofitimprurës të kërkimit shkencor SRI International kanë krijuar një material të ri dhe proces prodhimi për krijimin e muskujve artificialë që janë më të fortë dhe më fleksibël se homologët e tyre biologjikë.

“Krijimi i një muskuli artificial për të mundësuar punën dhe për të zbuluar forcën dhe prekjen ka qenë një nga sfidat e mëdha të shkencës dhe inxhinierisë,” tha Qibing Pei, një profesor i shkencës dhe inxhinierisë së materialeve në Shkollën e Inxhinierisë Samueli në UCLA dhe autori përkatës i një Studimi i publikuar së fundmi në Science.

Në mënyrë që një material i butë të konsiderohet për përdorim si një muskul artificial, ai duhet të jetë në gjendje të nxjerrë energji mekanike dhe të mbetet i zbatueshëm në kushte të tensionit të lartë – që do të thotë se nuk e humbet lehtë formën dhe forcën e tij pas cikleve të përsëritura të punës. Ndërsa shumë materiale janë konsideruar pretendentë për të bërë muskuj artificialë, elastomerët dielektrikë (DE) – materiale të lehta me densitet të lartë energjie elastike – kanë qenë me interes të veçantë për shkak të fleksibilitetit dhe qëndrueshmërisë së tyre optimale.

Elastomerët dielektrikë janë polimere elektroaktive, të cilat janë substanca natyrale ose sintetike të përbëra nga molekula të mëdha që mund të ndryshojnë në madhësi ose formë kur stimulohen nga një fushë elektrike. Ato mund të përdoren si aktivizues, duke u mundësuar makinave të funksionojnë duke e shndërruar energjinë elektrike në punë mekanike.

Shumica e elastomerëve dielektrikë janë bërë nga akrilik ose silikoni, por të dy materialet kanë të meta. Ndërsa DE-të tradicionale akrilike mund të arrijnë tendosje të lartë të aktivizimit, ato kërkojnë shtrirje paraprake dhe nuk kanë fleksibilitet. Silikonet janë më të lehta për t’u bërë, por ato nuk mund të përballojnë tendosje të lartë.

Duke përdorur kimikate të disponueshme në treg dhe duke përdorur një proces të kurimit me dritë ultravjollcë (UV), ekipi hulumtues i udhëhequr nga UCLA krijoi një material të përmirësuar me bazë akrilik që është më i lakueshëm, i akordueshëm dhe më i thjeshtë për t’u shkallëzuar pa humbur forcën dhe qëndrueshmërinë e tij. Ndërsa acidi akrilik mundëson formimin e më shumë lidhjeve hidrogjenore, duke e bërë kështu materialin më të lëvizshëm, studiuesit rregulluan gjithashtu lidhjen e kryqëzuar midis zinxhirëve të polimerit, duke bërë të mundur që elastomerët të jenë më të butë dhe më fleksibël. Filmi elastomer dielektrik i hollë, i përpunueshëm, me performancë të lartë që rezulton, ose PHDE, vendoset më pas midis dy elektrodave për të kthyer energjinë elektrike në lëvizje si një aktivizues.

Çdo film PHDE është aq i hollë dhe i lehtë sa një copë qimesh njeriu, rreth 35 mikrometra në trashësi, dhe kur shtresa të shumta grumbullohen së bashku, ato bëhen një motor elektrik miniaturë që mund të veprojë si ind muskulor dhe të prodhojë energji të mjaftueshme për të fuqizuar lëvizjen për të vogla. robotë ose sensorë. Studiuesit kanë bërë pirgje filmash PHDE që variojnë nga katër deri në 50 shtresa.

“Ky aktivizues fleksibël, i gjithanshëm dhe efikas mund të hapë portat për muskujt artificialë në gjeneratat e reja të robotëve, ose në sensorë dhe teknologji të veshjes që mund të imitojnë më saktë ose madje të përmirësojnë lëvizjet dhe aftësitë njerëzore,” tha Pei.

Muskujt artificialë të pajisur me aktivizues PHDE mund të gjenerojnë më shumë megapaskale forcë sesa muskujt biologjikë dhe gjithashtu demonstrojnë tre deri në 10 herë më shumë fleksibilitet se muskujt natyralë.

Filmat e butë me shumë shtresa zakonisht prodhohen nëpërmjet një procesi “të lagësht” që përfshin depozitimin dhe shërimin e rrëshirës së lëngshme. Por ky proces mund të rezultojë në shtresa të pabarabarta, të cilat krijojnë një aktivizues me performancë të dobët. Për këtë arsye, deri më tani, shumë aktivizues kanë qenë të suksesshëm vetëm me filmat DE me një shtresë.

Hulumtimi i UCLA përfshin një proces “të thatë” me anë të të cilit filmat shtresohen duke përdorur një teh dhe më pas trajtohen me UV për t’u forcuar, duke i bërë shtresat uniforme. Kjo rrit prodhimin e energjisë së aktivizuesit në mënyrë që pajisja të mund të mbështesë lëvizje më komplekse.

Procesi i thjeshtuar, së bashku me natyrën fleksibël dhe të qëndrueshme të PHDE, lejon prodhimin e aktivizuesve të rinj të butë të aftë të përkulen për të kërcyer, si këmbët e merimangës, ose të mbështjellen dhe të rrotullohen. Studiuesit demonstruan gjithashtu aftësinë e aktivizuesit PHDE për të hedhur një top me madhësi bizele 20 herë më të rëndë se filmat PHDE. Aktivizuesi gjithashtu mund të zgjerohet dhe tkurret si një diafragmë kur një tension ndizet dhe fiket, duke dhënë një vështrim se si muskujt artificialë mund të përdoren në të ardhmen.

Përparimi mund të çojë në robotë të butë me lëvizshmëri dhe qëndrueshmëri të përmirësuar, dhe teknologji të reja të veshshme dhe haptike me një ndjenjë të prekjes. Procesi i prodhimit mund të zbatohet gjithashtu për materiale të tjera të buta me shtresë të hollë për aplikime duke përfshirë teknologjitë mikrofluidike, inxhinierinë e indeve ose mikrofabrikimin.