یک عضله مصنوعی جدید قوی تر و انعطاف پذیرتر از ماهیچه های طبیعی است

آمیا پالجا -8 جولای 2022 -فلیم ساخته شده با 10 لایه PHDE و 20 محرک

در بیانیه مطبوعاتی دانشگاه آمده است: محققان دانشگاه کالیفرنیا، لس آنجلس (UCLA) ماده جدیدی را برای ساخت ماهیچه های مصنوعی ساخته اند که قوی تر و تا 10 برابر انعطاف پذیرتر از ماهیچه های طبیعی هستند.

دانشمندان علاقه زیادی به تکثیر ماهیچه‌های بدن داشتند که می‌توان از آن برای ساخت ربات‌های نرم و فناوری‌های لمسی جدید با حس لامسه استفاده کرد. مواد نرم بسیاری وجود دارد که برای دانشمندان مواد شناخته شده است که می توانند کار دوگانه ارائه یک خروجی مکانیکی را انجام دهند و در عین حال در شرایط کرنش بالا نیز زنده بمانند.

دسته ای از مواد به نام الاستومرهای دی الکتریک (DE) می توانند هم انعطاف پذیری و هم چقرمگی را ارائه دهند و نه تنها وزن سبکی دارند، بلکه چگالی انرژی الاستیک بالایی نیز دارند. DE ها می توانند از ترکیبات طبیعی یا مصنوعی ساخته شوند و پلیمرهایی هستند که با اعمال میدان الکتریکی می توانند اندازه یا شکل خود را تغییر دهند. این آنها را به مواد ایده‌آل برای ساخت محرک‌ها تبدیل می‌کند، یعنی ماشین‌هایی که می‌توانند انرژی الکتریکی را به کار مکانیکی تبدیل کنند.

در حال حاضر، DE ها با استفاده از اکریلیک یا سیلیکون تولید می شوند و در حالی که اینها مفید بوده اند، دارای معایب خاصی نیز هستند. DEهای ساخته شده از اکریلیک می توانند سطوح بالایی از فشار را تحمل کنند، اما نیاز به پیش کشش دارند و انعطاف پذیری ندارند. از سوی دیگر، DE های سیلیکونی را می توان به راحتی ساخت، اما در تحمل کرنش های بالا ناکام هستند.

تیم UCLA با همکاری سازمان غیرانتفاعی SRI International که قبلاً به عنوان موسسه تحقیقاتی استنفورد شناخته می‌شد، از مواد شیمیایی موجود در بازار و فرآیند پخت مبتنی بر نور فرابنفش (UV) برای بهبود DE مبتنی بر اکریلیک استفاده کردند.

محققان توانستند اتصالات عرضی را در زنجیره‌های پلیمری این ماده تغییر دهند تا DE نرم‌تر، انعطاف‌پذیرتر و بدون از دست دادن استقامت یا استحکام مقیاس‌پذیرتر شود. تغییرات در فرآیند تولید به محققان این امکان را داد که لایه‌های نازکی از DE بسازند که آن را الاستومر دی الکتریک قابل پردازش و با کارایی بالا یا PHDE می‌نامند.

چگونه می توان از PHDE استفاده کرد؟

یک فیلم PHDE به نازکی موی انسان و به همان اندازه سبک است. لایه بندی این لایه ها می تواند به محققان کمک کند تا محرک های کوچکی بسازند که می توانند مانند بافت ماهیچه ای کار کنند و انرژی مکانیکی کافی برای تامین انرژی یک ربات کوچک تولید کنند.

مواد نرم قبلا لایه لایه شده اند. با این حال، روش بکار گرفته شده برای انجام این کار شامل استفاده از یک رزین مایع است که باید ابتدا رسوب داده شود و سپس پخته شود. چنین فرآیند “مرطوبی” می تواند منجر به یک محرک با لایه های ناهموار شود که منجر به عملکرد بد می شود. به همین دلیل است که عضلات مصنوعی که ممکن است در گذشته دیده باشید فقط یک لایه ضخامت دارند.

محققان UCLA روی این جنبه نیز کار کردند و یک فرآیند خشک را اجرا کردند که در آن فیلم‌های PHDE در لایه‌هایی با استفاده از یک تیغه قرار می‌گیرند و سپس با اشعه ماوراء بنفش پخته می‌شوند. این فرآیند ساده شده حتی به محققان این امکان را می‌دهد که محرک‌هایی بسازند که شبیه پاهای عنکبوت هستند که خم می‌شوند و سپس می‌پرند، یا حتی می‌پیچند و سپس می‌چرخند.

در بیانیه مطبوعاتی ادعا شده است که این محرک های جدید می توانند چندین برابر بیشتر از ماهیچه های بیولوژیکی نیرو تولید کنند و بین 3 تا 10 برابر انعطاف پذیرتر از همتایان طبیعی خود هستند. در یک نمایش، محققان نشان دادند که محرک می تواند توپی را که 20 برابر وزن آن است پرتاب کند.

Qibing Pei، استاد علم مواد گفت: «این محرک انعطاف‌پذیر، همه‌کاره و کارآمد می‌تواند دروازه‌هایی را برای عضلات مصنوعی در نسل‌های جدید روبات‌ها، یا در حسگرها و فناوری‌های پوشیدنی که می‌توانند با دقت بیشتری تقلید کنند یا حتی توانایی‌های انسان‌مانند را تقلید کنند، باز کند.»

این تحقیق در مجله Science منتشر شده است.