211service.com
Elektroaktiva polymerer
I Artificial Muscle Research Institute vid University of New Mexico finns elektricitet i luften. När labbchef Mohsen Shahinpoor lägger en spänning på en konstgjord hand gjord av en polymer-metallkomposit, krullas dess fingrar till en knytnäve. Leta runt i labbet och du kommer att se robotfiskar simma, vingarna flaxar och armarna som lyfts - allt får sina muskler från elektriskt aktiverade polymerer. Du har sett robotar förut, men det är något annat med dessa. De tittar Levande .
Sedan början av 1990-talet har materialvetare och ingenjörer utvecklat elektroaktiva polymerer för användning som sensorer, ställdon och konstgjorda muskler. En applicerad spänning ändrar polymerens sammansättning eller molekylära struktur så att den expanderar, drar ihop sig eller böjs. Rörelsen är mjukare och mer verklighetstrogen än rörelse som genereras av mekaniska anordningar: precis som muskler är polymerer flexibla, ohämmade av den klumpiga styvheten hos växlar och lager. Forskare tror att med denna likhet med naturlig rörelse kan elektroaktiva polymerer revolutionera robotik och biomedicinska apparater. Sådana material skulle kunna göra det möjligt att designa robotar som manövrerar med en människas nåd, benproteser som rör sig och känns verkliga, och implanterbara mikrotillförselsystem som smidigt och tyst pumpar droger dit de behövs.
Den här historien var en del av vårt decembernummer 2002
- Se resten av frågan
- Prenumerera
Tills nyligen har emellertid elektroaktiva polymerer uppvisat praktiska problem. De förbrukade för mycket energi. De kunde inte generera tillräckligt med kraft. Och de varade inte tillräckligt länge. Men forskare inom akademi och industri har hittat sätt att göra polymererna starkare, mer robusta och effektivare. Dessa förbättringar, säger Yoseph Bar-Cohen, senior forskare vid NASA:s Jet Propulsion Laboratory och en av fältets pionjärer, kommer att möjliggöra snabbare implementering av science fiction-idéer i teknisk verklighet.
I september förra året, i ett genombrott som kan leda till medicinsk utrustning med lägre effekt, rapporterade Qiming Zhang och hans kollegor vid Pennsylvania State University att de hade skapat ett elektroaktivt ställdon som kräver en tiondel av den spänning som tidigare behövdes. Zhangs viktigaste framsteg: en polymer-halvledarkomposit som får mer elektrisk valuta för pengarna och förblir mycket flexibel. Fördelarna med denna typ av enhet är dess höga effektivitet och snabba svar. Men det här är bara början, säger Zhang. Han förutspår att farmaceutiska produkter baserade på tekniken - till exempel små bärbara insulinpumpar som drivs av lågspänningsbatterier - kan vara tillgängliga inom fem år.
Benjamin Mattes, VD för Santa Fe Science and Technology, bygger starka, långvariga konstgjorda muskler av ledande polymerer som expanderar och drar ihop sig som svar på förändringar i flödet av joner in i materialen. Dessa elektroaktiva polymerer genererar enorma krafter vid låga spänningar. Eftersom kemiska reaktioner bryter ner polymeren, var tidigare versioner långsamma och kunde bara överleva ett fåtal cykler. Mattes senaste enhet slår dock tidigare rekord för hastighet och hållbarhet. Dess koaxiella struktur - små fibrer gängade genom ett ihåligt rör och uppslukade av flytande elektrolyt - tillåter joner att strömma snabbt in i fibrerna som svar på pålagd spänning. Eftersom han använder en mycket stabil och ledande jonisk vätska som elektrolyt, säger Mattes att han har uppnått miljontals cykler utan nedbrytning.
Tack vare sådana framsteg inom materialvetenskap börjar elektroaktiva polymerer ge användbara biomedicinska apparater. Vid University of New Mexico har Shahinpoor visat tunna, hållbara konstgjorda muskler som kan lyfta många gånger sin egen vikt. Shahinpoor använder materialen för att utveckla implanterbara hjälpmedel som en pump som fungerar som en mekanisk pacemaker för att komprimera hjärtat och en liten enhet som korrigerar synen genom att försiktigt klämma ihop ögongloben. Hans team kommersialiserar enheterna genom en spinoff, Environmental Robots i Albuquerque, NM.
Det finns mycket att göra innan tekniken kommer att vara redo för marknaden. För att bli framgångsrik, säger Shahinpoor, kommer företaget att behöva se till att materialen är kompatibla med levande vävnad och att deras funktioner kan kontrolleras exakt. Han kommer också att behöva sänka tillverkningskostnaderna med en faktor 10.
Även om de kommande fem åren bör se elektroaktiva polymerer användas som komponenter i mikrokirurgiska verktyg, läkemedelstillförselsystem och korrigerande hjälpmedel, kan sådana framsteg bara vara en början. För att uppnå mer verklighetstrogna robotar och proteser måste forskare göra material som är smartare och mer interaktiva. Inom 10 år siktar forskare på att utveckla konstgjorda lemmar som ger feedback till användaren, graciösa autonoma robotar som drivs av muskelliknande polymerer och till och med dräkter som förbättrar styrkan och uthålligheten hos soldater och räddningspersonal. Om forskningen är framgångsrik kan robotik verkligen komma till liv.