Polimery elektroaktywne

W Instytucie Badań nad Sztucznymi Mięśniami na Uniwersytecie w Nowym Meksyku elektryczność jest w powietrzu. Kiedy dyrektor laboratorium Mohsen Shahinpoor przykłada napięcie do sztucznej dłoni wykonanej z kompozytu polimerowo-metalowego, jej palce zaciskają się w pięść. Rozejrzyj się po laboratorium, a zobaczysz pływające ryby-roboty, trzepoczące skrzydłami i unoszące ramiona – wszystko to zyskuje mięśnie dzięki elektrycznie aktywowanym polimerom. Widziałeś już roboty, ale jest w nich coś innego. Wyglądają żywy .

Od wczesnych lat 90-tych naukowcy i inżynierowie zajmujący się materiałami opracowują elektroaktywne polimery do stosowania jako czujniki, siłowniki i sztuczne mięśnie. Przyłożone napięcie zmienia skład lub strukturę molekularną polimeru, powodując jego rozszerzanie się, kurczenie lub zginanie. Ruch jest płynniejszy i bardziej realistyczny niż ruch generowany przez urządzenia mechaniczne: podobnie jak mięśnie, polimery są elastyczne, nieskrępowane niezdarną sztywnością kół zębatych i łożysk. Naukowcy są przekonani, że dzięki podobieństwu do naturalnego ruchu polimery elektroaktywne mogą zrewolucjonizować robotykę i urządzenia biomedyczne. Takie materiały mogą umożliwić zaprojektowanie robotów, które manewrują z gracją człowieka, protez nóg, które poruszają się i czują się jak prawdziwe, oraz wszczepialnych systemów mikrodostarczania, które płynnie i cicho pompują leki tam, gdzie są potrzebne.

Ta historia była częścią naszego wydania z grudnia 2002 r.

• Zobacz resztę numeru
• Subskrybuj

Jednak do niedawna polimery elektroaktywne stwarzały praktyczne problemy. Zużyli za dużo energii. Nie mogli wygenerować wystarczającej siły. I nie trwały wystarczająco długo. Jednak naukowcy ze środowiska akademickiego i przemysłowego znaleźli sposoby na to, aby polimery były mocniejsze, trwalsze i wydajniejsze. Te ulepszenia, mówi Yoseph Bar-Cohen, starszy naukowiec w NASA Jet Propulsion Laboratory i jeden z pionierów w tej dziedzinie, umożliwią szybsze wdrożenie pomysłów science fiction do rzeczywistości inżynierskiej.

We wrześniu ubiegłego roku, w przełomowym momencie, który może doprowadzić do urządzeń medycznych o mniejszej mocy, Qiming Zhang i jego koledzy z Pennsylvania State University poinformowali, że stworzyli elektroaktywny siłownik, który wymaga jednej dziesiątej wymaganego wcześniej napięcia. Kluczowe osiągnięcie Zhanga: kompozyt polimerowo-półprzewodnikowy, który ma więcej energii elektrycznej za te same pieniądze i pozostaje bardzo elastyczny. Zaletami tej klasy urządzenia jest wysoka wydajność i szybka reakcja. Ale to dopiero początek, mówi Zhang. Przewiduje, że produkty farmaceutyczne oparte na tej technologii – na przykład małe, nadające się do noszenia pompy insulinowe zasilane bateriami niskonapięciowymi – mogą być dostępne w ciągu pięciu lat.

Benjamin Mattes, dyrektor generalny Santa Fe Science and Technology, buduje silne, trwałe sztuczne mięśnie z przewodzących polimerów, które rozszerzają się i kurczą w odpowiedzi na zmiany w przepływie jonów do materiałów. Te elektroaktywne polimery generują ogromne siły przy niskich napięciach. Ponieważ reakcje chemiczne rozkładają polimer, wcześniejsze wersje były powolne i mogły przetrwać tylko kilka cykli. Jednak najnowsze urządzenie Mattesa bije poprzednie rekordy szybkości i trwałości. Jego współosiowa struktura — drobne włókna przewleczone przez pustą rurkę i zanurzone w ciekłym elektrolicie — umożliwia szybki przepływ jonów do włókien w odpowiedzi na przyłożone napięcie. Ponieważ używa bardzo stabilnej i przewodzącej cieczy jonowej jako elektrolitu, Mattes twierdzi, że osiągnął miliony cykli bez degradacji.

Dzięki takim postępom w materiałoznawstwie, polimery elektroaktywne zaczynają dostarczać użytecznych urządzeń biomedycznych. Na Uniwersytecie w Nowym Meksyku Shahinpoor zademonstrował cienkie, trwałe sztuczne mięśnie, które mogą unieść wiele razy więcej niż ich własny ciężar. Shahinpoor wykorzystuje materiały do ​​opracowania wszczepialnych środków pomocniczych, takich jak pompa, która działa jak mechaniczny rozrusznik do ściskania serca i maleńkie urządzenie, które koryguje widzenie poprzez delikatne uciskanie gałki ocznej. Jego zespół komercjalizuje urządzenia poprzez wydzieloną firmę Environmental Robots w Albuquerque w stanie Nowy Meksyk.

Jest jednak wiele do zrobienia, zanim technologia będzie gotowa do wprowadzenia na rynek. Aby odnieść sukces, mówi Shahinpoor, firma będzie musiała upewnić się, że materiały są kompatybilne z żywą tkanką, a ich funkcje można precyzyjnie kontrolować. Będzie musiał także obniżyć koszty produkcji o współczynnik 10.

Chociaż w ciągu najbliższych pięciu lat polimery elektroaktywne zostaną wykorzystane jako składniki narzędzi mikrochirurgicznych, systemów dostarczania leków i pomocy korekcyjnych, takie postępy mogą być dopiero początkiem. Aby stworzyć bardziej realistyczne roboty i urządzenia protetyczne, naukowcy będą musieli stworzyć inteligentniejsze i bardziej interaktywne materiały. W ciągu 10 lat naukowcy zamierzają opracować sztuczne kończyny, które dostarczają użytkownikowi informacji zwrotnych, zgrabne autonomiczne roboty napędzane polimerami przypominającymi mięśnie, a nawet kombinezony zwiększające siłę i wytrzymałość żołnierzy i personelu ratowniczego. Jeśli badania zakończą się sukcesem, robotyka może naprawdę ożyć.

ukryć