العضلة الاصطناعية الجديدة أقوى وأكثر مرونة من العضلات الطبيعية
|
| فليم مصنوع من 10 طبقات من PHDE و 20 مشغل |
كل ذلك بفضل التغييرات في عملية التصنيع.
قال بيان صحفي جامعي إن باحثين في جامعة كاليفورنيا ، لوس أنجلوس (UCLA) طوروا مادة جديدة لبناء عضلات اصطناعية أقوى وأكثر مرونة تصل إلى 10 مرات من العضلات التي تحدث بشكل طبيعي .
حرص العلماء على تكرار عضلات الجسم ، والتي يمكن استخدامها بعد ذلك في صنع روبوتات ناعمة وتقنيات لمسية جديدة مع حاسة اللمس. هناك العديد من المواد اللينة المعروفة لعلماء المواد والتي يمكنها القيام بالمهمة المزدوجة المتمثلة في توصيل مخرجات ميكانيكية مع الحفاظ على قابليتها للتطبيق في ظل ظروف الضغط العالي.
يمكن لفئة من المواد تسمى اللدائن العازلة (DE) أن توفر المرونة والمتانة ، وهي ليست خفيفة الوزن فحسب ، بل تتميز أيضًا بكثافة طاقة مرنة عالية. يمكن أن تصنع الـ DEs من مركبات طبيعية أو اصطناعية وهي بوليمرات يمكن أن تغير حجمها أو شكلها عند تطبيق مجال كهربائي. وهذا يجعلها مواد مثالية لصنع مشغلات أي آلات يمكنها تحويل الطاقة الكهربائية إلى أعمال ميكانيكية.
ما الذي يحتاج إلى التحسين إذن؟
في الوقت الحالي ، يتم تصنيع DEs باستخدام الأكريليك أو السيليكون ، وبينما كانت مفيدة ، إلا أنها تأتي أيضًا مع بعض العيوب. يمكن لـ DEs المصنوعة من الأكريليك التعامل مع مستويات عالية من الإجهاد ولكنها تتطلب تمددًا مسبقًا وتفتقر إلى المرونة. من ناحية أخرى ، يمكن صنع السيليكون DEs بسهولة ولكنه يفشل في التعامل مع السلالات العالية.
من خلال العمل مع المنظمة غير الربحية ، SRI International (المعروفة سابقًا باسم معهد ستانفورد للأبحاث) ، استخدم الفريق في UCLA المواد الكيميائية المتاحة تجاريًا وعملية المعالجة القائمة على الضوء فوق البنفسجي (UV) لتحسين DE القائم على الأكريليك.
تمكن الباحثون من تغيير الارتباط المتبادل في سلاسل البوليمر للمادة لجعل DE أكثر ليونة ومرونة وأبسط في القياس دون فقدان القدرة على التحمل أو القوة. سمحت التغييرات في عملية التصنيع للباحثين بصنع أغشية رقيقة من DE ، والتي يسمونها المطاط الصناعي العازل القابل للمعالجة وعالي الأداء أو PHDE.
كيف يمكن استخدام PHDE؟
فيلم PHDE رقيق مثل شعر الإنسان وخفيف الوزن بنفس القدر. يمكن أن يساعد وضع طبقات من هذه الأفلام الباحثين في صنع مشغلات مصغرة يمكن أن تعمل مثل الأنسجة العضلية وتنتج طاقة ميكانيكية كافية لتشغيل روبوت صغير.
تم وضع طبقات من المواد اللينة من قبل. ومع ذلك ، فإن الطريقة المستخدمة للقيام بذلك تتضمن استخدام راتينج سائل يجب أن يتم إيداعه أولاً ثم معالجته. يمكن أن ينتج عن مثل هذه العملية الرطبة مشغل ذو طبقات غير متساوية ، مما يؤدي إلى أداء سيئ. هذا هو السبب في أن العضلات الاصطناعية التي ربما تكون قد رأيتها في الماضي كانت بسماكة طبقة واحدة فقط.
عمل باحثو جامعة كاليفورنيا في لوس أنجلوس على هذا الجانب أيضًا ونفذوا عملية جافة حيث يتم وضع أغشية PHDE في طبقات باستخدام شفرة ثم معالجتها بالأشعة فوق البنفسجية. حتى أن العملية المبسطة سمحت للباحثين بتصنيع مشغلات تشبه أرجل العنكبوت التي تنحني ثم تقفز ، أو حتى تنفجر ثم تدور.
زعم البيان الصحفي أن هذه المحركات الجديدة يمكن أن تولد قوة أكبر بعدة مرات من العضلات البيولوجية وتكون أكثر مرونة من 3 إلى 10 مرات من نظيراتها الطبيعية. في عرض توضيحي ، أظهر الباحثون أن المشغل يمكنه رمي كرة يزيد وزنها عن 20 مرة.
قال Qibing Pei ، أستاذ علوم المواد: هذا المشغل المرن والمتعدد الاستخدامات والفعال يمكن أن يفتح البوابات للعضلات الاصطناعية في الأجيال الجديدة من الروبوتات ، أو في المستشعرات والتقنيات القابلة للارتداء التي يمكنها محاكاة أو حتى تحسين الحركة والقدرات البشرية بشكل أكثر دقة . والهندسة في جامعة كاليفورنيا.
تم نشر البحث في مجلة Science .
الملخص
يمكن أن تعمل اللدائن العازلة (DEs) كمكثفات قابلة للتشوه تولد عملاً ميكانيكيًا استجابةً لمجال كهربائي. غالبًا ما تعتمد DE على اللدائن التجارية المصنوعة من الأكريليك والسيليكون. تتطلب الأكريليك تمددًا مسبقًا لتحقيق سلالات تشغيل عالية وتفتقر إلى مرونة المعالجة. تسمح السيليكون بإمكانية المعالجة والاستجابة السريعة ولكنها تنتج سلالات أقل بكثير. في هذا العمل ، يتم تصنيع المطاط الصناعي العازل القابل للمعالجة عالي الأداء (PHDE) مع بنية شبكة ثنائية النسق ، ويتم تصميم خصائصه الكهروميكانيكية عن طريق ضبط الروابط المتقاطعة والرابط الهيدروجيني داخل شبكة المطاط الصناعي. يُظهر PHDE سلالة مساحية قصوى تبلغ 190٪ ويحافظ على سلالات أعلى من 110٪ عند 2 هرتز دون تمدد مسبق. عملية تكديس جافة بكفاءة عالية وقابلية للتوسع
تعليقات
إرسال تعليق