211service.com
Elektroaktivní polymery
V Ústavu pro výzkum umělých svalů na University of New Mexico je elektřina ve vzduchu. Když ředitel laboratoře Mohsen Shahinpoor přivede napětí na umělou ruku vyrobenou z kompozitu polymer-kov, její prsty se sevřou v pěst. Projděte se po laboratoři a uvidíte, jak robotické ryby plavou, mávají křídly a zvedají ruce – to vše nabírá svaly z elektricky aktivovaných polymerů. Roboty jste už viděli, ale je na nich něco jiného. Vypadají naživu .
Od počátku 90. let vyvíjeli vědci a inženýři v oblasti materiálů elektroaktivní polymery pro použití jako senzory, akční členy a umělé svaly. Aplikované napětí mění složení nebo molekulární strukturu polymeru tak, že se roztahuje, smršťuje nebo ohýbá. Pohyb je plynulejší a věrnější než pohyb generovaný mechanickými zařízeními: stejně jako svaly jsou polymery pružné a neruší je neohrabaná tuhost ozubených kol a ložisek. Vědci se domnívají, že díky této podobnosti s přirozeným pohybem by elektroaktivní polymery mohly způsobit revoluci v robotice a biomedicínských zařízeních. Takové materiály by mohly umožnit navrhnout roboty, které manévrují s ladností člověka, protetické nohy, které se pohybují a cítí se jako skutečné, a implantovatelné mikrodoručovací systémy, které hladce a tiše pumpují léky tam, kde jsou potřeba.
Tento příběh byl součástí našeho vydání z prosince 2002
- Viz zbytek čísla
- předplatit
Donedávna však elektroaktivní polymery představovaly praktické problémy. Spotřebovali příliš mnoho energie. Nedokázali vyvinout dostatečnou sílu. A nevydržely dostatečně dlouho. Ale vědci z akademické sféry a průmyslu našli způsoby, jak vyrobit polymery pevnější, robustnější a účinnější. Tato vylepšení, říká Yoseph Bar-Cohen, vedoucí výzkumný pracovník v laboratoři Jet Propulsion Laboratory NASA a jeden z průkopníků v oboru, umožní rychlejší implementaci sci-fi nápadů do technické reality.
Loni v září, v průlomu, který by mohl vést k lékařským zařízením s nižší spotřebou, Qiming Zhang a jeho kolegové z Pennsylvania State University oznámili, že vytvořili elektroaktivní pohon, který vyžaduje jednu desetinu dříve potřebného napětí. Klíčový pokrok společnosti Zhang: polymer-polovodičový kompozit, který za peníze získává více elektrického třesku a zůstává velmi flexibilní. Výhodou této třídy zařízení je vysoká účinnost a rychlá odezva. Ale to je jen začátek, říká Zhang. Předpovídá, že farmaceutické produkty založené na této technologii – například malé nositelné inzulínové pumpy napájené nízkonapěťovými bateriemi – by mohly být dostupné do pěti let.
Benjamin Mattes, generální ředitel Santa Fe Science and Technology, buduje silné, dlouhotrvající umělé svaly z vodivých polymerů, které se roztahují a smršťují v reakci na změny v toku iontů do materiálů. Tyto elektroaktivní polymery generují obrovské síly při nízkém napětí. Protože chemické reakce rozkládají polymer, dřívější verze byly pomalé a schopné přežít jen několik cyklů. Nejnovější zařízení Mattes však překonává předchozí rekordy v rychlosti a odolnosti. Jeho koaxiální struktura – drobná vlákna provlečená dutou trubicí a pohlcená tekutým elektrolytem – umožňuje iontům rychle proudit do vláken v reakci na aplikované napětí. Protože jako elektrolyt používá vysoce stabilní a vodivou iontovou kapalinu, Mattes říká, že dosáhl milionů cyklů bez degradace.
Díky takovým pokrokům ve vědě o materiálech začínají elektroaktivní polymery poskytovat užitečná biomedicínská zařízení. Na univerzitě v Novém Mexiku Shahinpoor předvedl tenké, odolné umělé svaly, které dokážou zvednout mnohonásobek své vlastní váhy. Shahinpoor používá materiály k vývoji implantovatelných pomůcek, jako je pumpa, která funguje jako mechanický kardiostimulátor ke stlačování srdce, a malé zařízení, které koriguje vidění jemným stlačením oční bulvy. Jeho tým komercializuje zařízení prostřednictvím spinoffu Environmental Robots v Albuquerque, NM.
Než však bude technologie připravena na trh, čeká nás ještě spousta práce. Aby byla společnost úspěšná, říká Shahinpoor, bude muset zajistit, aby materiály byly kompatibilní s živou tkání a aby bylo možné přesně kontrolovat jejich funkce. Bude také muset desetkrát snížit výrobní náklady.
Přestože by se v příštích pěti letech měly elektroaktivní polymery používat jako součásti mikrochirurgických nástrojů, systémů pro podávání léků a korekčních pomůcek, takový pokrok může být pouze začátek. K dosažení reálnějších robotů a protetických zařízení budou vědci muset vyrábět materiály, které jsou chytřejší a interaktivnější. Do 10 let se výzkumníci zaměří na vývoj umělých končetin, které poskytují zpětnou vazbu uživateli, elegantní autonomní roboty, které jsou poháněny svalovými polymery, a dokonce i obleky, které zvyšují sílu a odolnost vojáků a záchranářů. Pokud bude výzkum úspěšný, robotika může skutečně ožít.