يمكن أن تحاكي الألياف ذات البنية النانوية عضلات الإنسان
يجذب تقليد جسم الإنسان ، وخاصة المحركات التي تتحكم في حركة العضلات ، اهتمامًا هائلاً حول العالم. في السنوات الأخيرة ، أدى ذلك إلى العديد من الابتكارات لتحسين الروبوتات والأطراف الصناعية والمزيد ، ولكن إنشاء هذه المشغلات عادة ما يتضمن عمليات معقدة ، مع مواد باهظة الثمن ويصعب العثور عليها.
ابتكر باحثون من جامعة تكساس في أوستن وجامعة ولاية بنسلفانيا نوعًا جديدًا من الألياف يمكن أن يعمل كمشغل عضلي ، من نواح كثيرة أفضل من الخيارات الأخرى الموجودة اليوم. والأهم من ذلك ، أن هذه الألياف العضلية سهلة التصنيع وإعادة التدوير.
في ورقة بحثية جديدة نُشرت في Nature Nano ، أظهر الباحثون أن هذه الألياف ، التي اكتشفوها لأول مرة أثناء العمل في مشروع آخر ، أكثر كفاءة ومرونة وقادرة على التعامل مع الضغوط المتزايدة مقارنة بما هو موجود اليوم. يمكن استخدام هذه الألياف بعدة طرق ، بما في ذلك الطب والروبوتات.
"يمكنك أساسًا بناء طرف من هذه الألياف في روبوت يستجيب للمنبهات ويرسل الطاقة مرة أخرى ، بدلاً من استخدام محرك ميكانيكي للقيام بذلك ، وهذا أمر جيد لأنه بعد ذلك سيكون له لمسة أكثر نعومة ،" مانيش كومار. ، أستاذ مشارك في قسم الهندسة المدنية والمعمارية والبيئية في كلية كوكريل للهندسة وأحد المؤلفين الرئيسيين للورقة.
يمكن استخدام هذا النوع من الأذرع الآلية في الهيكل الخارجي المساعد لمساعدة الأشخاص ذوي الأذرع الضعيفة على استعادة الحركة والقوة. ويقول الباحثون إن تطبيقًا محتملاً آخر يمكن أن يكون نوعًا من "ضمادة ذاتية الإغلاق" يمكن استخدامها في العمليات الجراحية وتتحلل بشكل طبيعي داخل الجسم بمجرد التئام الجرح.
قال روبرت هيكي ، الأستاذ المساعد للعلوم والهندسة. المواد في ولاية بنسلفانيا والمؤلف المقابل: "المشغلات هي أي مادة ستتغير أو تتشوه تحت المنبهات الخارجية ، مثل أجزاء من آلة تتقلص أو تنحني أو تتمدد". على ورقة. "وبالنسبة لتقنيات مثل الروبوتات ، نحتاج إلى تطوير إصدارات مرنة وخفيفة الوزن من هذه المواد يمكن أن تعمل بشكل أساسي مثل العضلات الاصطناعية. مهمتنا هي إيجاد طريقة جديدة للقيام بذلك. »
تُعرف المادة الليفية باسم كتلة البوليمر. لإنشائه ، ضع البوليمر في مذيب ثم أضف الماء. جزء من البوليمر محب للماء (ينجذب إلى الماء) ، بينما الجزء الآخر كاره للماء (مقاوم للماء). تتجمع الأجزاء المقاومة للماء من البوليمر معًا للحماية من الماء ، مما يؤدي إلى تكوين بنية الألياف.
تتطلب الألياف الموجودة المماثلة تيارًا كهربائيًا لتحفيز التفاعلات التي تربط القطع معًا. يعد تحقيق هذا الارتباط الكيميائي أكثر صعوبة من الألياف الجديدة للباحثين ، وهو تفاعل ميكانيكي ، مما يعني أن القطع تقوم بمعظم العمل بنفسها. ومن المزايا الإضافية الأخرى أنه من السهل عكس العملية وإعادة قطع الألياف إلى حالتها الأصلية.
قال كومار: "إن سهولة صنع هذه الألياف من البوليمر وإمكانية إعادة تدويرها أمر مهم للغاية ، وهذا شيء لا تغطيه معظم الأبحاث المعقدة الأخرى حول العضلات الاصطناعية".
اكتشف الباحثون أن أليافهم كانت أكثر كفاءة بنسبة 75٪ في تحويل الطاقة إلى حركة ، وقادرة على تحمل ضغط أكبر بنسبة 80٪ ، ويمكنها الدوران بسرعة وقوة أكبر من المحركات الحالية. ويمكن أن تمتد أكثر من 900٪ من طولها قبل أن تنكسر.
جاء الاكتشاف أثناء عمل الباحثين على شيء آخر. كانوا يحاولون استخدام هذه البوليمرات لصنع أغشية لترشيح المياه. ومع ذلك ، فإن الهياكل التي صنعوها كانت طويلة جدًا بالنسبة للأغشية. تمددوا ما يصل إلى خمسة أضعاف طولهم الأصلي وحافظوا على هذا الطول. لاحظ الباحثون أن هذه الميزات تشبه الأنسجة العضلية ، لذلك قرروا تغيير التركيز.
بدأ الباحثون المشروع في وقت مبكر ، وبعد ذلك يخططون لمعرفة المزيد حول التغييرات الهيكلية في البوليمر وتحسين بعض خصائص التشغيل ، بما في ذلك كثافة الطاقة والسرعة. يمكنهم أيضًا استخدام أسلوب التصميم نفسه لإنشاء مشغلات تستجيب لمحفزات مختلفة ، مثل الضوء.
روي هوانغ ، أستاذ الهندسة في تكساس في قسم هندسة الطيران والفضاء والهندسة الميكانيكية ، هو أيضًا جزء من فريق البحث.
قال هوانغ: "كانت مساهمتي في هذا العمل هي تطوير نموذج مركب بسيط من ثلاث مراحل لفهم الخصائص الميكانيكية والتشغيلية للألياف النانوية والتنبؤ بها". "يربط النموذج خصائص الألياف بشكل فعال ...
يجذب تقليد جسم الإنسان ، وخاصة المحركات التي تتحكم في حركة العضلات ، اهتمامًا هائلاً حول العالم. في السنوات الأخيرة ، أدى ذلك إلى العديد من الابتكارات لتحسين الروبوتات والأطراف الصناعية والمزيد ، ولكن إنشاء هذه المشغلات عادة ما يتضمن عمليات معقدة ، مع مواد باهظة الثمن ويصعب العثور عليها.
ابتكر باحثون من جامعة تكساس في أوستن وجامعة ولاية بنسلفانيا نوعًا جديدًا من الألياف يمكن أن يعمل كمشغل عضلي ، من نواح كثيرة أفضل من الخيارات الأخرى الموجودة اليوم. والأهم من ذلك ، أن هذه الألياف العضلية سهلة التصنيع وإعادة التدوير.
في ورقة بحثية جديدة نُشرت في Nature Nano ، أظهر الباحثون أن هذه الألياف ، التي اكتشفوها لأول مرة أثناء العمل في مشروع آخر ، أكثر كفاءة ومرونة وقادرة على التعامل مع الضغوط المتزايدة مقارنة بما هو موجود اليوم. يمكن استخدام هذه الألياف بعدة طرق ، بما في ذلك الطب والروبوتات.
"يمكنك أساسًا بناء طرف من هذه الألياف في روبوت يستجيب للمنبهات ويرسل الطاقة مرة أخرى ، بدلاً من استخدام محرك ميكانيكي للقيام بذلك ، وهذا أمر جيد لأنه بعد ذلك سيكون له لمسة أكثر نعومة ،" مانيش كومار. ، أستاذ مشارك في قسم الهندسة المدنية والمعمارية والبيئية في كلية كوكريل للهندسة وأحد المؤلفين الرئيسيين للورقة.
يمكن استخدام هذا النوع من الأذرع الآلية في الهيكل الخارجي المساعد لمساعدة الأشخاص ذوي الأذرع الضعيفة على استعادة الحركة والقوة. ويقول الباحثون إن تطبيقًا محتملاً آخر يمكن أن يكون نوعًا من "ضمادة ذاتية الإغلاق" يمكن استخدامها في العمليات الجراحية وتتحلل بشكل طبيعي داخل الجسم بمجرد التئام الجرح.
قال روبرت هيكي ، الأستاذ المساعد للعلوم والهندسة. المواد في ولاية بنسلفانيا والمؤلف المقابل: "المشغلات هي أي مادة ستتغير أو تتشوه تحت المنبهات الخارجية ، مثل أجزاء من آلة تتقلص أو تنحني أو تتمدد". على ورقة. "وبالنسبة لتقنيات مثل الروبوتات ، نحتاج إلى تطوير إصدارات مرنة وخفيفة الوزن من هذه المواد يمكن أن تعمل بشكل أساسي مثل العضلات الاصطناعية. مهمتنا هي إيجاد طريقة جديدة للقيام بذلك. »
تُعرف المادة الليفية باسم كتلة البوليمر. لإنشائه ، ضع البوليمر في مذيب ثم أضف الماء. جزء من البوليمر محب للماء (ينجذب إلى الماء) ، بينما الجزء الآخر كاره للماء (مقاوم للماء). تتجمع الأجزاء المقاومة للماء من البوليمر معًا للحماية من الماء ، مما يؤدي إلى تكوين بنية الألياف.
تتطلب الألياف الموجودة المماثلة تيارًا كهربائيًا لتحفيز التفاعلات التي تربط القطع معًا. يعد تحقيق هذا الارتباط الكيميائي أكثر صعوبة من الألياف الجديدة للباحثين ، وهو تفاعل ميكانيكي ، مما يعني أن القطع تقوم بمعظم العمل بنفسها. ومن المزايا الإضافية الأخرى أنه من السهل عكس العملية وإعادة قطع الألياف إلى حالتها الأصلية.
قال كومار: "إن سهولة صنع هذه الألياف من البوليمر وإمكانية إعادة تدويرها أمر مهم للغاية ، وهذا شيء لا تغطيه معظم الأبحاث المعقدة الأخرى حول العضلات الاصطناعية".
اكتشف الباحثون أن أليافهم كانت أكثر كفاءة بنسبة 75٪ في تحويل الطاقة إلى حركة ، وقادرة على تحمل ضغط أكبر بنسبة 80٪ ، ويمكنها الدوران بسرعة وقوة أكبر من المحركات الحالية. ويمكن أن تمتد أكثر من 900٪ من طولها قبل أن تنكسر.
جاء الاكتشاف أثناء عمل الباحثين على شيء آخر. كانوا يحاولون استخدام هذه البوليمرات لصنع أغشية لترشيح المياه. ومع ذلك ، فإن الهياكل التي صنعوها كانت طويلة جدًا بالنسبة للأغشية. تمددوا ما يصل إلى خمسة أضعاف طولهم الأصلي وحافظوا على هذا الطول. لاحظ الباحثون أن هذه الميزات تشبه الأنسجة العضلية ، لذلك قرروا تغيير التركيز.
بدأ الباحثون المشروع في وقت مبكر ، وبعد ذلك يخططون لمعرفة المزيد حول التغييرات الهيكلية في البوليمر وتحسين بعض خصائص التشغيل ، بما في ذلك كثافة الطاقة والسرعة. يمكنهم أيضًا استخدام أسلوب التصميم نفسه لإنشاء مشغلات تستجيب لمحفزات مختلفة ، مثل الضوء.
روي هوانغ ، أستاذ الهندسة في تكساس في قسم هندسة الطيران والفضاء والهندسة الميكانيكية ، هو أيضًا جزء من فريق البحث.
قال هوانغ: "كانت مساهمتي في هذا العمل هي تطوير نموذج مركب بسيط من ثلاث مراحل لفهم الخصائص الميكانيكية والتشغيلية للألياف النانوية والتنبؤ بها". "يربط النموذج خصائص الألياف بشكل فعال ...
What's Your Reaction?
