Elektroaktyvūs polimerai

Naujosios Meksikos universiteto Dirbtinių raumenų tyrimų institute elektra tvyro ore. Kai laboratorijos direktorius Mohsenas Shahinpooras veikia įtampą dirbtinei rankai, pagamintai iš polimero ir metalo kompozito, jos pirštai susiriečia į kumštį. Apsilankykite laboratorijoje ir pamatysite, kaip plaukioja robotizuotos žuvys, plevėsuoja sparnai ir kyla rankos – visa tai įgyja raumenis iš elektra aktyvuojamų polimerų. Jūs anksčiau matėte robotus, tačiau jie skiriasi. Jie atrodo gyvas .

Nuo 1990-ųjų pradžios medžiagų mokslininkai ir inžinieriai kūrė elektroaktyvius polimerus, skirtus naudoti kaip jutiklius, pavaras ir dirbtinius raumenis. Taikoma įtampa pakeičia polimero sudėtį arba molekulinę struktūrą taip, kad jis plečiasi, susitraukia arba lenkiasi. Judesys yra sklandesnis ir tikroviškesnis nei mechaninių prietaisų sukuriamas judesys: polimerai, kaip ir raumenys, yra lankstūs, jų nevaržo krumpliaračių ir guolių standumas. Mokslininkai mano, kad dėl šio panašumo į natūralų judėjimą elektroaktyvūs polimerai gali pakeisti robotiką ir biomedicinos prietaisus. Tokios medžiagos leistų sukurti robotus, kurie manevruoja su žmogaus malone, protezuotas kojas, kurios juda ir jaučiasi tikros, ir implantuojamas mikropristatymo sistemas, kurios sklandžiai ir tyliai pumpuoja vaistus ten, kur jų reikia.

Ši istorija buvo mūsų 2002 m. gruodžio mėn. numerio dalis

• Žr. likusią numerio dalį
• Prenumeruoti

Tačiau iki šiol elektroaktyvūs polimerai sukėlė praktinių problemų. Jie sunaudojo per daug energijos. Jie negalėjo sukurti pakankamai jėgos. Ir jie truko neilgai. Tačiau mokslininkai iš akademinės bendruomenės ir pramonės rado būdų, kaip padaryti polimerus stipresnius, tvirtesnius ir efektyvesnius. Šie patobulinimai, sako Yosephas Bar-Cohenas, NASA Reaktyvinio judėjimo laboratorijos vyresnysis mokslo darbuotojas ir vienas iš šios srities pionierių, leis greičiau įgyvendinti mokslinės fantastikos idėjas inžinerinėje realybėje.

Praėjusį rugsėjį, proveržis, galintis sukelti mažesnės galios medicinos prietaisus, Qimingas Zhangas ir jo kolegos iš Pensilvanijos valstijos universiteto pranešė, kad sukūrė elektroaktyvią pavarą, kuriai reikia dešimtadalio anksčiau reikalingos įtampos. Pagrindinis Zhang pažanga: polimero ir puslaidininkių kompozitas, kuris už pinigus suteikia daugiau elektros smūgio ir išlieka labai lankstus. Šios klasės įrenginių privalumai yra didelis efektyvumas ir greitas atsakas. Bet tai tik pradžia, sako Zhang. Jis prognozuoja, kad farmacijos produktai, pagrįsti šia technologija, pavyzdžiui, mažos nešiojamos insulino pompos, maitinamos žemos įtampos baterijomis, gali būti prieinamos per penkerius metus.

Benjaminas Mattesas, Santa Fe mokslo ir technologijų generalinis direktorius, iš laidžių polimerų kuria stiprius, ilgalaikius dirbtinius raumenis, kurie plečiasi ir susitraukia reaguodami į jonų srauto pokyčius į medžiagas. Šie elektroaktyvūs polimerai sukuria didžiules jėgas esant žemai įtampai. Kadangi cheminės reakcijos suardo polimerą, ankstesnės versijos buvo lėtos ir galėjo išgyventi tik keletą ciklų. Tačiau naujausias „Mattes“ įrenginys sumušė ankstesnius greičio ir ilgaamžiškumo rekordus. Jo bendraašė struktūra - maži pluoštai, įsriegti per tuščiavidurį vamzdelį ir įsiskverbę į skystą elektrolitą, leidžia jonams greitai tekėti į pluoštus reaguojant į įtampą. Kadangi jis kaip elektrolitą naudoja labai stabilų ir laidų joninį skystį, Mattesas teigia, kad jis pasiekė milijonus ciklų be degradacijos.

Dėl tokios medžiagų mokslo pažangos elektroaktyvūs polimerai pradeda gaminti naudingus biomedicinos prietaisus. Naujosios Meksikos universitete Shahinpoor pademonstravo plonus, patvarius dirbtinius raumenis, kurie gali pakelti daug kartų didesnį svorį nei pats. „Shahinpoor“ naudoja medžiagas kurdamas implantuojamas pagalbines priemones, tokias kaip siurblys, kuris veikia kaip mechaninis širdies stimuliatorius, suspaudžiantis širdį, ir mažytis prietaisas, kuris koreguoja regėjimą švelniai suspausdamas akies obuolį. Jo komanda komercializuoja įrenginius per „Environmental Robots“ Albukerke, NM.

Tačiau dar reikia daug nuveikti, kol technologija bus paruošta rinkai. Kad būtų sėkminga, Shahinpoor teigia, kad bendrovė turės užtikrinti, kad medžiagos būtų suderinamos su gyvais audiniais ir kad jų funkcijas būtų galima tiksliai kontroliuoti. Jis taip pat turės 10 kartų sumažinti gamybos sąnaudas.

Nors per ateinančius penkerius metus elektroaktyvūs polimerai turėtų būti naudojami kaip mikrochirurginių įrankių, vaistų tiekimo sistemų ir korekcinių priemonių komponentai, tokia pažanga gali būti tik pradžia. Norėdami sukurti tikroviškesnius robotus ir protezus, mokslininkai turės pagaminti išmanesnių ir interaktyvesnių medžiagų. Per 10 metų mokslininkai siekia sukurti dirbtines galūnes, kurios vartotojui suteiktų grįžtamąjį ryšį, grakščius autonominius robotus, varomus iš raumenis primenančių polimerų, ir net kostiumus, kurie padidintų karių ir gelbėtojų jėgą bei ištvermę. Jei tyrimas bus sėkmingas, robotika gali iš tikrųjų atgyti.

paslėpti