Nowy sposób na mięśnie dla robotów

fot. pixabay

Wysokoenergetyczny polimer z pamięcią kształtu może pewnego dnia umożliwić robotom napinanie mięśni. Rozciągnięte lub zdeformowane tworzywa powracają do pierwotnego kształtu po zastosowaniu ciepła lub światła.

Materiały te są niezwykle obiecujące do zastosowań w miękkiej robotyce, inteligentnych urządzeniach biomedycznych i przenośnych strukturach kosmicznych. Dotychczas jednak nie były w stanie przechowywać wystarczająco dużej ilości energii.

Naukowcy, którzy opublikowali swoje doniesienia w ACS Central Science opracowali polimer z pamięcią kształtu, który przechowuje prawie sześć razy więcej energii niż poprzednie wersje. Materiały te naprzemiennie przechodzą od stanu pierwotnego - nieodkształconego do stanu wtórnego - zdeformowanego.

Stan odkształcony powstaje w wyniku rozciągania i jest utrzymywany poprzez zmiany molekularne, takie jak dynamiczne sieci wiązań lub krystalizacja wywołana odkształceniem. Są one odwracane za pomocą ciepła lub światła. Następnie polimer powraca do swojego pierwotnego stanu dzięki uwolnieniu zmagazynowanej energii entropowej. Do tej pory badacze mieli jednak problem z tym jak sprawić, by polimery te wykonywały zadania wymagające dużych nakładów energii.

Zhenan Bao i jego współpracownicy postanowili opracować nowy typ struktury, która rozciągałaby się do stabilnej i bardzo wydłużonej formy. Pozwoliłoby to na uwolnienie dużych ilości energii podczas powrotu do stanu pierwotnego.

Badacze włączyli więc jednostki 4,4'-metylenobisfenylomocznika w szkielet złożony z poli(glikolu propylenowego). W pierwotnym stanie łańcuchy polimeru były splątane i nieuporządkowane. Rozciąganie spowodowało ułożenie łańcuchów i utworzenie wiązań wodorowych pomiędzy grupami mocznikowymi, tworząc w ten sposób struktury nadcząsteczkowe stabilizujące stan silnego wydłużenia. Ogrzewanie spowodowało rozerwanie wiązań i skurczenie się polimeru do początkowego nieuporządkowanego stanu.

W testach polimer mógł być rozciągnięty do pięciokrotności swojej pierwotnej długości i przechowywać do 17,9 J energii w przeliczeniu na gram. Zespół zaprezentował fakt, iż rozciągnięty materiał mógł wykorzystać tę energię do podnoszenia obiektów o masie 5000 razy większej niż jego własna.

Na jego bazie badacze stworzyli również sztuczny mięsień poprzez przymocowanie wstępnie rozciągniętego polimeru do górnej i dolnej części ramienia drewnianego manekina. Po podgrzaniu materiał kurczył się, powodując zgięcie ramienia manekina w stawie łokciowym.

Oprócz rekordowo wysokiej gęstości energii polimer z pamięcią kształtu jest również niedrogi i łatwy w produkcji. Badania nad nim są finansowane przez Departament Obrony USA, Narodową Fundację Nauki oraz Departament Energii USA.

(rr)