Voksing Innovative: Forskere Pump Up Artificial Muscles Using Paraffin


/ AAAS Helt fra kjemiker Ray Baughman for et år siden, hadde han og hans internasjonale team av nanoteknologer tatt kunstmuskulaturteknologi til neste nivå. Deres innovasjon stod på spinnelengder av karbonnanobukser i buff-garn, hvis vridning og untwisting etterliknet naturlige muskler som ble funnet i en elefants kofferte eller en blekkspruts tentakler. N

/ AAAS

Helt fra kjemiker Ray Baughman for et år siden, hadde han og hans internasjonale team av nanoteknologer tatt kunstmuskulaturteknologi til neste nivå. Deres innovasjon stod på spinnelengder av karbonnanobukser i buff-garn, hvis vridning og untwisting etterliknet naturlige muskler som ble funnet i en elefants kofferte eller en blekkspruts tentakler.
Nå rapporterer forskerne en ny kunstig muskelbyggingsteknikk som gjør deres karbon nanorør garn flere ganger raskere og kraftigere. Disse egenskapene kan bidra til å levere teknologiens løfte om å utvikle kompakte, lette aktuatorer for roboter, exoskeletoner og andre mekaniske enheter, selv om flere utfordringer forblir.
Det siste gjennombruddet kommer fra infusjon av karbonnanorørgarn med parafinvoks som utvides ved oppvarming, slik at de kunstige musklene løfter mer enn 100.000 ganger sin egen vekt og genererer 85 ganger mer mekanisk kraft under sammentrekning enn pattedyrskelettmuskler av tilsvarende størrelse, i henhold til forskerne, hvis siste arbeid er publisert i november 16 utgaven av Science .
Den tidligere generasjons kunstige muskler var elektrokjemiske og fungerte som en superkapasitor. Når en ladning ble injisert i karbonnanorørgarnet, ble ioner fra en væskelektrolytt diffundert inn i garnet, noe som førte til at det vokste i volum og kontrakt i lengden, sier Baughman, direktør ved University of Texas i Dallass Alan G. MacDiarmid NanoTech Institute. Dessverre, ved hjelp av en elektrolytt begrenset temperaturområdet der muskelen kunne fungere. Ved kaldere temperaturer ville elektrolytten størkne, bremse muskelen; Hvis det er for varmt, vil elektrolytten nedbrytes. Det trengte også en beholder, noe som økte vekten på det kunstige muskelsystemet.
Voksen eliminerer behovet for elektrolytt, noe som gjør den kunstige muskelen lettere, sterkere og mer responsiv. Når varme eller en lyspuls påføres et voksimpregnert garn omtrent 200 mikron i diameter (omtrent det dobbelte av et menneskehår) smelter og ekspanderer voksen. I løpet av ca 25 millisekunder gir denne ekspansjonen et trykk som gjør at garnets individuelle nanorørtråd dreier seg og garnets lengde for kontrakt. Enhver vektløfter vil fortelle deg at vellykket muskel-kunstig eller naturlig avhenger delvis av graden av denne sammentrekningen. Avhengig av den utøvde kraften, kan Baughman-lagets muskelstrenger trekke seg opp med 10 prosent.
Muskler vurderes også av vekten de kan løfte i forhold til deres størrelse. "Våre muskler kan løfte ca 200 ganger vekten av en liknende naturlig muskelmasse, " sier Baughman, og legger til at de voksinfiserte kunstige musklene også kan generere 30 ganger den maksimale effekten av elektrolyttdrevne forgjengere.
Forskernes nyeste kunstige muskler beveger teknologien nærmere kommersialiserte produkter som miljøsensorer, luftfartsmaterialer og selv tekstiler som tar kan dra nytte av nanoskalaaktuatorer, University of Cincinnati maskinteknisk professor Mark Schulz, skrev i en relatert Science Perspectives-artikkel. Denne nye kunstige muskelen overgår eksisterende, slik at mulige applikasjoner som lineære og roterende motorer det kan også erstatte biologisk muskelvev hvis biokompatibilitet kan etableres, legger han til.
Imidlertid peker Schulz ut - og Baughman er rask til å erkjenne - at selv denne nye avlingen av kunstige muskler står overfor mange utfordringer før de kan være et praktisk alternativ til mini-elektriske motorer i mange av produktene vi kjøper. Til tross for deres forbedringer er de nyeste kunstige musklene for det meste ineffektive og begrensede i kombinasjoner av kraft, bevegelse og fart som de kan generere, ifølge Schulz.
Faktisk fungerer disse nye kunstige musklene med om lag 1 prosent effektivitet, et nummer Baughman og hans kollegaer vil øke minst 10 ganger. Et alternativ for å forbedre effektiviteten er å bruke et kjemisk drivstoff i stedet for elektrisitet for å drive musklene. "En måte å kompensere for mangel på effektivitet er å bruke drivstoff som metanol i stedet for et batteri, " sier han. "Du kan lagre mer enn 20 prosent mer energi i et brensel som metanol enn du kan i et batteri."
En annen utfordring er at de kunstige musklene må oppvarmes og avkjøles til henholdsvis kontrakt og frigjøring. Korte lengder på garnet kan kjøle seg selv om noen sekunder, men lengre stykker må kjøles aktivt med vann eller luft, ellers vil muskelen ikke slappe av. "Eller du vil trenge [å bruke et] materiale som ikke krever termisk aktivering, " sier Baughman. "Hvis du fortsetter å lage [karbon nanorør] garnet lengre og lengre, øker kjølesatsen din."
Dette utfordringsproblemet utgjør kanskje den største utfordringen. En 1 millimeter lengde av kunstig muskel kan løfte ca 50 gram, ifølge Baughman. Det betyr at løfte flere tonn ville kreve en lengre lengde av karbon nanorørgarn enn det er praktisk. "Vi vil at våre kunstige muskler skal brukes i exoskeletoner som hjelper arbeidere eller soldater til å løfte gjenstander som veier tonn, " sier han. Men forskerne jobber fremdeles med måter å pakke nok garn til å utføre slike oppgaver i lengden av et eksoskeletalt lem.
Karbon nanorør kunstige muskler er mer sannsynlig å først vises i produkter som krever kun korte lengder. Baughman forestiller kunstige muskler som brukes i et kateter for minimalt invasiv kirurgi, "der du vil ha mye funksjonalitet på kateterets slutt for å gjøre kirurgiske manipulasjoner." En annen applikasjon med fleksible appell - "smarte" stoffer som automatisk kan reagere på omgivelsene, blir mer eller mindre porøse når de oppdager varme eller skadelige kjemikalier i luften.