Super Żołnierze

Pod koniec ubiegłego roku armia amerykańska poszła na zakupy po nowe mundury. Nie była zainteresowana kombinezonami w kamuflażu i oliwkowymi kamuflażami ani nawet lepszymi wersjami zaawansowanego technologicznie sprzętu noszonego przez żołnierzy w Afganistanie. Tym, czego potrzebowała armia, był lekki mundur bojowy, który byłby w stanie zatrzymać kule i toksyny, monitorować stan zdrowia żołnierza, komunikować się ze zdalnymi dowódcami, a nawet zapewniać nadludzką siłę. Ale pomimo ekstrawagancji tej wizji i mimo tego, że szukali pomocy w akademickich instytucjach badawczych, urzędnicy wojskowi jasno określili inne kluczowe pragnienie. Jak wspomina materiałoznawca z MIT, Edwin Thomas, nie chcieli oni tylko dokumentów w Nauka lub Natura . Chcieli prawdziwych rzeczy.

Prawdziwe rzeczy są dokładnie tym, co naukowcy z MIT przedstawili w styczniu zeszłemu zespołowi armii wizytującej. Inżynier mechanik Ian Hunter odtworzył nagranie przedstawiające drgający kawałek czarnej wstążki – rozszerzający się i kurczący sztuczny mięsień, który w mundurze bojowym mógłby uformować opaskę uciskową lub wzmocnić siłę nóg. Naukowiec od materiałów Yoel Fink zademonstrował kilka migoczących nici optycznych zdolnych do odbijania i pochłaniania światła o różnych długościach z dużą precyzją – właściwość, którą można wykorzystać do zdalnej komunikacji w podczerwieni, która może na przykład pozwolić żołnierzom na ciche identyfikowanie się z sojusznikami w nocy. Członkowie wydziału wyjaśnili, jak działa mikroskop mikroskopowy, który chemik z MIT zbudował Tim Swager, mający zaledwie kilka molekuł szerokości, który potrafi wywęszyć oddech żołnierza w poszukiwaniu chemicznych oznak stresu.

Ta historia była częścią naszego wydania z października 2002 r.

• Zobacz resztę numeru
• Subskrybuj

Wytrzymałość

Głównym celem nowego instytutu jest stworzenie munduru bojowego, który ma wbudowaną wytrzymałość – siłę, która pomaga żołnierzowi podnosić ciężkie przedmioty, pompować płyny chłodzące przez wbudowane kanały lub usztywniać wokół krwawiącej rany. Drgająca czarna wstążka Huntera jest wczesną wskazówką, że nanomateriały mogą zapewnić taką siłę.

Taśma wykonana jest z elektroaktywnego polimeru, który może poruszać się lub zmieniać kształt w odpowiedzi na sygnał elektryczny. Naukowcy od dawna wyobrażali sobie wykorzystanie tych polimerów – które mogą być 100 razy silniejsze niż ludzkie mięśnie – jako sztucznych mięśni. Ale jak dotąd okazały się niepraktyczne jako maszyny przypominające mięśnie, głównie dlatego, że ich ruchy są stosunkowo powolne, a także dlatego, że były w stanie kurczyć się lub rozszerzać tylko o kilka procent swojej długości. Mięśnie ludzkie mogą kurczyć się i rozszerzać o 20 procent.

Jednak w laboratoriach Huntera i Swagera badacze ostatnio pracowali razem, aby poczynić wielkie postępy w kierunku materiału o wystarczającym zakresie ruchu, aby był użyteczny. Kluczem jest seria cząsteczek, które działają jak pręty i zawiasy. Obracając się na zawiasach, pręty odpychają się lub przyciągają, gdy ładunek jest nakładany lub usuwany. Dzięki przymocowaniu milionów tych prętów i zawiasów od końca do końca, jak segmenty składanej linijki, naukowcy byli w stanie stworzyć polimery, które wydłużają się i skracają w odpowiedzi na bodźce elektryczne (patrz Mięsień Molekularny, poniżej) . Folia wykonana z tych polimerów powoduje ruchy przypominające mięśnie. W ciągu ostatnich kilku miesięcy, mówi Hunter, podwoiliśmy zakres ruchu, zbliżając się do zakresu ludzkich komórek mięśniowych.

Mięsień molekularny

Polimer, który kurczy się i rozszerza tak bardzo, jak ludzkie mięśnie, wykorzystuje zawiasy i pręciki molekularne. Pręty odpychają się i przyciągają, gdy ładunek jest nakładany (na górze) i usuwany (na dole). (Ilustracja Johna MacNeilla)

Ten wzrost, jak bardzo polimer może się rozszerzać i kurczyć, w połączeniu z jego imponującą wytrzymałością – której naukowcy jeszcze nie zmierzyli, ale przewidują, że jest dziesięciokrotnie większa niż w ludzkich mięśniach – może pozwolić na mundur bojowy osadzony w 1,4 kg materiału. podnieść 80 kilogramów na metr wysokości. Innymi słowy, żołnierz mógł bez wysiłku podnieść ciężki sprzęt, a nawet poległego towarzysza. Problem: zajęłoby to co najmniej minutę, mówi John Madden, inżynier elektryk z University of British Columbia w Vancouver, który do niedawna kierował badaniami nad polimerami elektroaktywnymi w laboratorium Huntera.

Nadanie tym elektroaktywnym polimerom użytecznej prędkości to kolejna przeszkoda. Będzie to wymagało zmniejszenia oporności elektrycznej materiałów, więc przyłożony ładunek może szybciej wykonać swoją pracę. Naukowcy planują zmniejszyć opór poprzez włączenie nanorurek węglowych – długich, rurkowatych cząsteczek – do przyszłych generacji materiałów. Niektóre wersje nanorurek węglowych są doskonałymi przewodnikami elektrycznymi, które mogą znacznie szybciej dostarczać ładunek w całym materiale. Grupy Hunter i Swager mają nadzieję stworzyć sztuczne mięśnie, które będą tak szybkie jak ludzkie mięśnie w ciągu pięciu lat.

Większym wyzwaniem jest zintegrowanie materiału mięśniowego z resztą stroju żołnierza. Polimery elektroaktywne muszą na przykład być podłączone do systemu dystrybucji energii i sygnalizacji; konwencjonalne okablowanie jest po prostu zbyt sztywne, aby można było podłączyć drgający, zginający się materiał. Tak więc w zeszłym roku Hunter i jego współpracownicy opracowali wstęgowe druty wykonane z elastycznych, przewodzących prąd elektryczny polimerów. Zamiast sztywnych miedzianych drutów wchodzących w tkankę polimerową”, będziemy mieli tkankowe druty wchodzące w tkankę, mówi Hunter.

Komunikacja

Potrzebne będą inne technologie, aby skafander mógł komunikować się ze światem zewnętrznym. Na początku tego roku Fink z MIT ogłosił opracowanie powlekanych nici polimerowych, które mogą być właśnie tym, co umożliwia cichą komunikację ze zdalnymi sojusznikami lub dowódcami za pomocą światła widzialnego lub podczerwonego.

Nici Fink są w stanie selektywnie odbijać lub pochłaniać różne długości fal światła dzięki powłoce składającej się z wielu ultracienkich warstw dwóch przezroczystych materiałów – jednego organicznego, drugiego nieorganicznego. Te dwa materiały spowalniają światło w różnym tempie. W wyniku zamieszek odbić w tych warstwach, niektóre długości fal są silnie odbijane z powrotem od światłowodu, a inne są niwelowane. To, które długości fal zostaną odbite, zależy od grubości warstw, która może wynosić od 100 do 1000 nanometrów i może być precyzyjnie kontrolowana.

Podczas gdy większość badaczy fotoniki pracuje nad chipami i innymi gadżetami dla telekomunikacji optycznej, grupa Finka jest pierwszą, która zbudowała nić fotoniczną, z której można zrobić tkaninę, mówi Eli Yablonovitch, inżynier elektryk z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Los Angeles. pionier w dziedzinie materiałów optycznych. Jedno z możliwych zastosowań tych nici: część munduru bojowego, która silnie odbija specyficzną sygnaturę otaczającego światła podczerwonego. Na przykład podczas zamieszania podczas nocnej strzelaniny taki optyczny kod kreskowy może identyfikować żołnierza jako przyjaciela dla innych żołnierzy wyposażonych w gogle noktowizyjne dostrojone do właściwego światła odbitego. Zespół Finka chciałby również wymyślić sposób na dostrajanie tych materiałów w locie, aby długość fali mogła być zmieniana elektrycznie (i zdalnie) na wypadek, gdyby wróg dostał w swoje ręce mundur.

Stanowi to szczególne wyzwanie, mówi Yablonovitch. Jest wiele rozwiązań. Po prostu nie ma dobrych. Mówi, że mają do wykonania pracę, aby była praktyczna dla wojska.

Na razie grupa Finka posuwa się do przodu z kilkoma podejściami do dostrajania światłowodów. Jedna strategia polega na stworzeniu pewnego rodzaju wieszaka do rozciągania, który mógłby naciągnąć włókna. Napięcie rozrzedza warstwy, zmieniając długość odbitej fali (patrz Dostrajanie, poniżej) . Drugie podejście wykorzystuje fakt, że jeden z materiałów w warstwach – triselenek arsenu – spowalnia światło w różnym tempie w obecności pola elektrycznego; zmień pole i zmienisz odbicie całego światłowodu. Takie podejście, mówi Fink, może wyprodukować przestrajalne włókno w ciągu dwóch lat.

Strojenie

Przekrój pokazuje zewnętrzne warstwy materiałów optycznych pokrywających nić polimerową. Grubość warstw określa sposób odbijania światła.

Zanim: Jeśli długość fali różni się od grubości warstw, światło może przejść.

Później: Rozciąganie nici może rozrzedzać warstwy tak, aby ich szerokość pasowała do czerwonej długości fali. Na każdej granicy między warstwami część czerwonego światła byłaby odbijana (linia przerywana), a część byłaby kontynuowana.

Ochrona

Oczywiście nadrzędnym zadaniem munduru jest ochrona żołnierza, a umiejętność skakania z drogi lub cichego ogłaszania się sojusznikom robiłaby to pośrednio. Ale wizją armii jest kombinezon, który zapewniłby również bezpośrednią ochronę przed wszystkim, od kul po wąglik. Ulepszona ochrona balistyczna jest obecnie w większości teoretyczna, ale mamy już do dyspozycji kilka bardzo realnych narzędzi przeciwko atakom biologicznym i chemicznym.

Jedna z takich technologii opiera się na silnie rozgałęzionych cząsteczkach polimerów zwanych dendrymerami. Modyfikując końce gałęzi dendrymeru tak, aby każda z nich przyklejała się do niebezpiecznej cząsteczki i unieszkodliwiała ją, badacze armii stworzyli już substancję ochronną o dużej chłonności jak na swój ciężar. Ale do tej pory byli w stanie używać substancji tylko poprzez zmieszanie jej z kremem podobnym do kremu przeciwsłonecznego. Problem z dodaniem tej technologii do stroju żołnierza polega na tym, że dendrymery nie sklejają się łatwo ze sobą, przez co trudno je uformować w stabilny materiał, który sprostałby nadużyciom na polu bitwy – i pralce.

Aby stworzyć bardziej wytrzymały materiał, inżynier chemik z MIT Paula Hammond zaprojektowała dendrymery z ogonami. Te ogony, kilka razy dłuższe niż gałęzie dendrymerów, mają tendencję do splatania się ze sobą, utrzymując cząsteczki zatrzaśnięte razem bez blokowania gałęzi w wykonywaniu ich zadań. Jest jak rozległy system korzeniowy lasu drzew molekularnych, który może pozwolić zakotwiczonym dendrymerom na stworzenie mocnej warstwy ochronnej. Te technologie dopiero się rozwijają. Możemy je wziąć i zacząć włączać je do tkanin i powłok, mówi Hammond.

Naukowcy z MIT pracują również nad technologiami, które mogłyby pomóc w zdalnym monitorowaniu stanu zdrowia żołnierza, niezależnie od zagrożeń, jakie może napotkać. Na przykład wbudowane czujniki wykrywające zmiany w składzie chemicznym ciała mogą pomóc w ustaleniu, czy upadły żołnierz jest ciężko ranny, czy może czekać na pomoc. Takie czujniki musiałyby być niezwykle czułe, ale także solidne i proste w obsłudze.

A Swager zrobił dobry pierwszy krok. Wykorzystując specjalnie zaprojektowane polimery jako detektor, Swager opracował niedawno urządzenie do wykrywania stężenia tlenku azotu, substancji chemicznej obecnej w ludzkim oddechu. Skoki tlenku azotu, gdy organizm jest zestresowany (patrz Wyczuwanie zdrowia poniżej) . Sam pomiar tlenku azotu może nie powiedzieć wszystkiego, ale czujnik jest pierwszym elementem, który może być częścią sposobów oceny stanu fizjologicznego żołnierza, mówi Swager.

Wyczuwanie zdrowia

Czujnik wykorzystujący polimer przewodzący prąd elektryczny może bezpośrednio wykrywać stężenie tlenku azotu w oddechu żołnierza. Atomy kobaltu w polimerze wiążą i uwalniają cząsteczki tlenku azotu, powodując wahania rezystancji polimeru znajdującego się między elektrodami. (Ilustracja Johna MacNeilla)

Detektor tlenku azotu wykorzystuje nanoskopowe przewody polimerowe zdolne do przewodzenia elektryczności. Kiedy tlenek azotu zwiąże się z polimerem, powoduje zmianę oporności elektrycznej, którą można łatwo wykryć. Dodatkowo cząsteczki tlenku azotu szybko opadają z czujnika, co daje urządzeniu możliwość ciągłego pomiaru stężenia substancji chemicznej.

Mimo że jest to obecnie tylko prototyp, urządzenie Swagera mogłoby ostatecznie zostać włączone do maski lub materiału stroju żołnierza w celu wykrywania innych substancji chemicznych, takich jak węglowodory i ketony, które mogą być wskaźnikami stresu lub choroby, lub do wykrywania czynników biologicznych i chemicznych.

Integracja

Nawet gdy Swager i inni badacze z instytutu nadal produkują takie nowe materiały i urządzenia, już teraz myślą o tym, co ostatecznie będzie ich największym wyzwaniem: sprawienie, by wszystkie ich wynalazki działały razem w masowo produkowanym kombinezonie. Będzie to problem z systemami i integracją, którego nigdy wcześniej nie widzieliśmy, mówi Swager.

W tym przypadku DuPont może pomóc. Firma ma wieloletnie doświadczenie w opracowywaniu tak ultrawytrzymałych materiałów, jak Kevlar, używanych do produkcji kamizelek kuloodpornych. Teraz pomoże stworzyć nowe procesy integracji kilku nanomateriałów w jedną tkaninę. Jeden problem: nie wszystkie polimery są kompatybilne. Nie są takie same i nie zachowują się tak samo, mówi Wayne Marsh, kierownik ds. badań w DuPont Central Research and Development w Wilmington, DE. Niektóre są wykonane bardzo różnie; ten sam proces może degradować jeden polimer podczas formowania innego. Pogodzenie tych różnic będzie wymagało dostosowania chemii polimerów lub dodania powłok, aby chronić je przed sobą. Ogólnie rzecz biorąc, to naprawdę wyjątkowe rzeczy, mówi Thomas. To tak, jak Jack Kilby z Texas Instruments na początku lat pięćdziesiątych, myśląc o zrobieniu dziesiątek lub setek tranzystorów na jednym chipie krzemowym. Musisz powiedzieć: Jak byśmy to zrobili?”.

Dowódca wojskowy i cywilna społeczność medyczna mają duże nadzieje, że Thomas i jego koledzy z MIT znajdą odpowiedź, odkrywając nie tylko, jak udoskonalić nowe materiały i urządzenia, ale także jak je utkać razem z rewolucyjnymi wynikami. Ale są realistyczne. Nie wiem, czy to wszystko da mi to, czego chcę, kiedy tego chcę, i zrobię to w przystępnej cenie, mówi Andrews z armii.

Z pewnością nowy instytut nie wyprodukuje w pełni zintegrowanego munduru bojowego za pięć lat. Zamiast tego sukces w tej skali czasowej będzie oznaczał znacznie lżejszą kamizelkę kuloodporną lub wytrzymały materiał optyczny przyjaciela lub wroga, mówi Thomas. Miarą sukcesu będzie to, że zwrócimy uwagę i zaufanie ludzi z armii, aby uwierzyli w użycie nanotechnologii dla pojedynczego żołnierza, mówi. Dużym sukcesem będzie oddanie czegoś namacalnego w ręce żołnierza. To nie będzie łatwe. Ale biorąc pod uwagę przewagę instytutu w zakresie rozwoju materiałów, armia amerykańska ma przynajmniej szansę na zdobycie munduru, którego szuka.

ukryć