Supersoldater

I slutet av förra året gick den amerikanska armén och handlade efter nya uniformer. Den var inte intresserad av kamouflageoveraller och olivdräkter eller ens i bättre versioner av den högteknologiska utrustningen som burits av trupperna i Afghanistan. Vad armén ville ha var en lätt stridsuniform som kunde stoppa kulor och gifter, övervaka en soldats hälsa, kommunicera med fjärrbefälhavare - till och med möjliggöra övermänsklig styrka. Men trots extravagansen i den visionen, och även om de sökte akademiska forskningsinstitutioner för att få hjälp, gjorde arméns tjänstemän en annan viktig önskan tydlig. Som materialforskaren Edwin Thomas på MIT minns, ville de inte bara ha in papper Vetenskap eller Natur . De ville ha riktiga grejer.

Verkliga grejer är precis vad MIT-forskare presenterade i januari förra året för ett besökande arméteam. Maskiningenjören Ian Hunter spelade upp en video av ett ryckande stycke svart band - en expanderande och sammandragande konstgjord muskel som, i en stridsuniform, kunde bilda en turniquet eller öka benstyrkan. Materialforskaren Yoel Fink visade upp några skimrande optiska trådar som kan reflektera och absorbera olika våglängder av ljus med stor specificitet - en egenskap som kan utnyttjas för fjärrkommunikation med infraröd kommunikation som till exempel kan göra det möjligt för soldater att tyst identifiera sig för allierade på natten. Fakultetsmedlemmar förklarade hur en mikroskopisk sensor MIT-kemist Tim Swager hade byggt, bara några molekyler bred, som kunde sniffa en soldats andetag efter kemiska tecken på stress.

Den här historien var en del av vårt oktobernummer 2002

• Se resten av frågan
• Prenumerera

Styrka

Ett huvudmål för det nya institutet är att skapa en stridsuniform som har inbyggd styrka - styrkan att hjälpa en soldat att lyfta tunga föremål, att pumpa kylvätskor genom inbäddade kanaler eller att stelna runt ett blödande sår. Hunters ryckande svarta band är en tidig indikation på att nanomaterial kanske kan leverera den sortens styrka.

Bandet är gjort av en elektroaktiv polymer som kan flytta eller ändra form som svar på en elektrisk signal. Forskare har länge föreställt sig att använda dessa polymerer - som kan vara 100 gånger starkare än mänskliga muskler - som konstgjorda muskler. Men hittills har de visat sig opraktiska som muskelliknande maskiner, till stor del för att deras rörelser är relativt tröga och även för att de har kunnat dra ihop sig eller expandera med bara några få procent av sin längd. Människans muskler kan dra ihop sig och expandera med 20 procent.

I Hunters och Swagers labb har forskare nyligen arbetat tillsammans för att göra stora framsteg mot ett material med tillräckligt med rörelseomfång för att vara användbart. Nyckeln är en serie molekyler som fungerar som stavar och gångjärn. Stängerna vrids på gångjärnen och stöter bort eller attraherar varandra när en laddning appliceras eller tas bort. Genom att fästa miljontals av dessa stavar och gångjärn ände i ände som segment av en linjal, kunde forskarna skapa polymerer som förlängs och förkortas som svar på elektriska stimuli (se Molecular Muscle, nedan) . En film gjord av dessa polymerer producerar muskelliknande rörelser. Inom de senaste månaderna, säger Hunter, har vi fördubblat rörelseomfånget och närmat oss det för mänskliga muskelceller.

Molekylär muskel

En polymer som drar ihop sig och expanderar lika mycket som mänsklig muskel använder molekylära gångjärn och stavar. Stavarna stöter bort och attraherar varandra när en laddning appliceras (överst) och tas bort (botten). (Illustration av John MacNeill)

Den ökningen av hur mycket polymeren kan expandera och dra ihop sig, i kombination med dess imponerande styrka - som forskarna inte har mätt ännu men förutspår att vara tio gånger så stor som mänskliga muskler - kan tänkas tillåta en stridsuniform inbäddad med 1,4 kg av materialet att lyfta 80 kilo en meter högt. Med andra ord, en soldat kunde utan ansträngning hissa en tung utrustning eller till och med en fallen kamrat. Problemet: det här skulle ta minst en minut, säger John Madden, en elektroingenjör vid University of British Columbia i Vancouver, som tills nyligen ledde forskning om elektroaktiva polymerer i Hunters labb.

Att ge dessa elektroaktiva polymerer användbar hastighet är nästa hinder. Det kommer att kräva att man skär ner på materialens elektriska motstånd, så en applicerad laddning kan göra sitt arbete snabbare. Forskarna planerar att minska motståndet genom att införliva kolnanorör - långa, rörliknande molekyler - i framtida generationer av materialen. Vissa versioner av kolnanorör är utmärkta elektriska ledare som kan leverera laddning genom hela materialet mycket snabbare. Hunter- och Swager-grupperna hoppas kunna göra konstgjorda muskler som är lika snabba som mänskliga muskler om fem år.

Att integrera muskelmaterialet med resten av soldatens dräkt är den större utmaningen. De elektroaktiva polymererna behöver till exempel kopplas in i ett kraftfördelnings- och signalsystem; konventionella ledningar är helt enkelt för stela för jobbet att koppla ihop ett ryckande, böjligt material. Så under det senaste året har Hunter och hans medarbetare utvecklat bandliknande ledningar gjorda av flexibla elektriskt ledande polymerer. Istället för att styva koppartrådar går in i polymervävnad kommer vi att ha vävnadsliknande trådar som går in i vävnad, säger Hunter.

Kommunikation

Andra tekniker kommer att behövas för att dräkten ska kunna kommunicera med omvärlden. Tidigare i år tillkännagav MIT:s Fink utveckling av belagda polymertrådar som kan vara precis grejen, som möjliggör tyst kommunikation med avlägsna allierade eller befälhavare genom användning av synligt eller infrarött ljus.

Finks trådar kan selektivt reflektera eller absorbera olika våglängder av ljus, tack vare deras beläggning, som innehåller många ultratunna lager av två transparenta material - det ena organiskt och det andra oorganiskt. De två materialen saktar ner ljuset i olika hastigheter. I det resulterande upploppet av reflektioner inom dessa skikt reflekteras vissa våglängder starkt tillbaka ut ur fibern, och andra elimineras. Vilka våglängder som reflekteras beror på tjockleken på lagren, som kan variera från 100 till 1 000 nanometer och kan kontrolleras exakt.

Medan de flesta fotonikforskare arbetar med chips och andra prylar för optisk telekommunikation, är Finks grupp först med att bygga en fotonisk tråd som skulle kunna göras till en textil, säger Eli Yablonovitch, en elektroingenjör vid University of California, Los Angeles, och en pionjär inom optiska material. En möjlig användning för dessa trådar: en del av en stridsuniform som starkt reflekterar en specifik signatur av omgivande infrarött ljus. Under förvirringen av en brandstrid nattetid, till exempel, kan en sådan optisk streckkod identifiera en soldat som vän till andra trupper utrustade med mörkerseendeglasögon inställda på rätt reflekterat ljus. Och Finks team skulle också vilja komma på ett sätt att justera dessa material i farten, så att våglängden kan ändras elektriskt (och på distans) om en fiende skulle få tag på en uniform.

Detta innebär en speciell utmaning, säger Yablonovitch. Det finns många lösningar. Bara inga bra. De har sitt jobb för att göra det praktiskt för armén, säger han.

För nu går Finks grupp framåt med flera metoder för att göra de optiska fibrerna avstämbara. En strategi innebär att skapa ett slags sträckställ som kan dra åt fibrerna. Spänningen skulle tunna ut lagren och ändra den reflekterade våglängden (se Finjustering, nedan) . Ett andra tillvägagångssätt drar fördel av det faktum att ett av materialen i lagren - arseniktriselenid - saktar ner ljuset med en annan hastighet i närvaro av ett elektriskt fält; ändra fältet och du ändrar reflektionen av hela fibern. Dessa tillvägagångssätt, säger Fink, skulle kunna producera en avstämbar fiber inom två år.

Finjustering

Ett tvärsnitt visar de yttre skikten av optiska material som täcker en polymertråd. Skiktens tjocklek avgör hur ljus reflekteras.

Innan: Om våglängden skiljer sig från skiktens tjocklek kan ljuset passera igenom.

Efter: Att sträcka ut tråden kan tunna ut lagren så att deras bredd matchar den röda våglängden. Vid varje gräns mellan lager skulle en del rött ljus reflekteras (streckad linje), och en del skulle fortsätta.

Skydd

Naturligtvis är uniformens övergripande uppgift att skydda soldaten, och förmågan att hoppa från skadans väg eller att tyst meddela sig själv för allierade skulle göra det indirekt. Men arméns vision är en kostym som också skulle ge direkt skydd mot allt från kulor till mjältbrand. Förbättrat ballistiskt skydd är mest teoretiskt vid denna tidpunkt, men några mycket verkliga verktyg mot biologiska och kemiska attacker finns redan i handen.

En sådan teknologi är baserad på mycket grenade polymermolekyler som kallas dendrimerer. Genom att modifiera ändarna på en dendrimers grenar så att var och en av dem fastnar på en farlig molekyl och gör den ofarlig, har arméforskare redan skapat ett skyddande ämne med stor absorptionsförmåga för sin vikt. Men hittills har de bara kunnat använda ämnet genom att blanda det till en solkrämsliknande kräm. Problemet med att lägga till denna teknik i en soldats dräkt är att dendrimerer inte lätt fastnar vid varandra och därför är svåra att forma till ett stabilt material som skulle stå emot missbruket av ett slagfält och en tvättmaskin.

För att göra ett mer robust material designade MIT kemiingenjör Paula Hammond dendrimerer med svansar. Dessa svansar, flera gånger längre än dendrimerernas grenar, tenderar att trassla in sig i varandra, vilket håller molekylerna sammanlåsta utan att blockera grenarna från att göra sitt jobb. Det är som ett omfattande rotsystem för en skog av molekylära träd, och det kan tillåta de förankrade dendrimererna att göra en tuff skyddsfilm. Dessa tekniker håller på att spira just nu. Vi kan ta dem och börja införliva dem i tyger och beläggningar, säger Hammond.

MIT-forskare arbetar också med teknik som kan hjälpa till att övervaka en soldats hälsa på distans, oavsett vilka faror han eller hon kan stöta på. Inbyggda sensorer som upptäcker förändringar i kroppens kemi, till exempel, kan hjälpa till att avgöra om en fallen soldat är allvarligt skadad eller kan vänta på hjälp. Sådana sensorer måste vara extremt känsliga men också robusta och enkla att använda.

Och Swager har tagit ett bra första steg. Med hjälp av specialdesignade polymerer som detektor har Swager nyligen utvecklat en anordning för att känna av koncentrationer av kväveoxid, en kemikalie som finns i människors andetag. Kväveoxid spikar när kroppen är stressad (se Sensing Health, nedan) . Enbart taget kanske en kväveoxidmätning inte berättar hela historien, men sensorn är ett första element som kan vara en del av sätt att bedöma soldatens fysiologiska tillstånd, säger Swager.

Känna hälsa

En sensor som använder en elektriskt ledande polymer kan direkt detektera kväveoxidkoncentrationer i en soldats andetag. Koboltatomer i polymeren binder och frigör kväveoxidmolekyler, vilket orsakar fluktuationer i motståndet hos polymeren, som ligger mellan elektroderna. (Illustration av John MacNeill)

Kväveoxiddetektorn använder nanoskopiska polymertrådar som kan leda elektricitet. När kväveoxid binder till polymeren, producerar det en förändring i elektriskt motstånd som lätt kan detekteras. Dessutom faller kväveoxidmolekylerna snabbt av sensorn, vilket ger enheten möjlighet att ge kontinuerliga mätningar av kemikaliens koncentration.

Även om det bara är en prototyp idag, kan Swagers enhet så småningom införlivas i en mask eller tyget i en soldats dräkt för att upptäcka andra kemikalier - som kolväten och ketoner - som kan vara indikatorer på stress eller sjukdom, eller för att upptäcka biologiska och kemiska ämnen.

Integration

Även när Swager och de andra forskarna i institutet fortsätter att ta fram sådana nya material och anordningar, funderar de redan på vad som i slutändan kommer att bli deras största utmaning: att få alla deras uppfinningar att fungera tillsammans i en massproducerbar kostym. Det kommer att vara ett system- och integrationsproblem som vi aldrig har sett förut, säger Swager.

Det är där DuPont kan hjälpa. Företaget har decennier av erfarenhet av att utveckla sådana ultrastarka material som Kevlar, som används för skottsäkra västar. Nu ska det hjälpa till att skapa nya processer för att integrera flera nanomaterial i en textil. Ett problem: alla polymerer är inte kompatibla. De är inte samma sak, och de beter sig inte likadant, säger Wayne Marsh, forskningschef på DuPont Central Research and Development i Wilmington, DE. Vissa är gjorda väldigt olika; samma process skulle kunna bryta ned en polymer samtidigt som en annan bildas. Att förena dessa skillnader kommer att kräva att man justerar polymerernas kemi eller lägger till beläggningar för att skydda dem från varandra. Allt som allt är det här verkligen edge-grejer, säger Thomas. Det är som Jack Kilby från Texas Instruments i början av 1950-talet, som funderade på att tillverka bara tiotals eller hundratals transistorer på ett enda kiselchip. Du måste säga, hur skulle vi göra det?

Arméns mässing och det civila medicinska samfundet har stora förhoppningar om att Thomas och hans MIT-kollegor ska hitta svaret, och att inte bara ta reda på hur man perfektionerar nya material och enheter, utan också hur man väver dem samman med revolutionerande resultat. Men de är realistiska. Jag vet inte att allt detta kommer att ge vad jag vill, när jag vill ha det, och göra det till ett överkomligt pris, säger arméns Andrews.

För visst kommer det nya institutet inte att producera den fullständiga integrerade stridsuniformen på fem år. Istället kommer framgång på den tidsskalan att innebära en mycket lättare skottsäker väst eller robust vän-eller-fiende-optiskt material, säger Thomas. Ett mått på framgång kommer att vara om vi har fått arméns uppmärksamhet och förtroende att tro på att använda nanoteknik för den enskilda soldaten, säger han. Stor framgång kommer att bli om vi faktiskt lägger något påtagligt i en soldats händer. Det blir inte lätt. Men med tanke på institutets försprång när det gäller materialutveckling, har den amerikanska armén åtminstone en chans att få den uniform den söker.

Dölj