انعطاف عضلات مصنوعی برای اولین بار

پلیمر جدیدی که در «دانشگاه ایالتی پنسیلوانیا» ابداع شده است، می‌تواند قدرت کشش مکانیکی فوق‌العاده‌ای را به عضلات مصنوعی ببخشد.

کد خبر: ۶۳۳۵۱۰

تاریخ: ۱۹ تير ۱۴۰۲ - ۱۴:۰۷

به گزارش ایران اکونومیست و به نقل از سایتک دیلی، گروهی از پژوهشگران بین‌المللی به سرپرستی «دانشگاه ایالتی پنسیلوانیا»(Penn State) در پژوهش جدیدی نشان داده‌اند نوع جدیدی از پلیمر فروالکتریک که در تبدیل کردن انرژی الکتریکی به کشش مکانیکی فوق‌العاده خوب است، می‌تواند یک کنترل‌کننده یا محرک حرکتی با کارآیی بالا باشد. به گفته آنها، این پلیمر برای کاربرد در دستگاه‌های پزشکی، رباتیک پیشرفته و سیستم‌های موقعیت‌یابی دقیق، بسیار نویدبخش است.

کشش مکانیکی که نحوه تغییر شکل یک ماده هنگام اعمال نیرو است، یک ویژگی مهم برای یک محرک به شمار می‌رود. این مواد محرک به طور سنتی، سفت و سخت هستند اما محرک‌های نرم مانند پلیمرهای فروالکتریک، انعطاف‌پذیری و سازگاری محیطی بالاتری را نشان می‌دهند.

این پژوهش، پتانسیل نانوکامپوزیت‌های پلیمری فروالکتریک را برای غلبه کردن بر محدودیت‌ کامپوزیت‌های پلیمری پیزوالکتریک سنتی نشان می‌دهد و یک راه امیدوارکننده برای توسعه محرک‌های نرم با کشش و انرژی مکانیکی بیشتر است. محرک‌های نرم به دلیل استحکام، قدرت و انعطاف‌پذیری خود مورد توجه پژوهشگران حوزه رباتیک هستند.

«کینگ وانگ»(Qing Wang) استاد علوم و مهندسی مواد در دانشگاه پنسیلوانیا و از پژوهشگران این پروژه گفت: اکنون به طور بالقوه می‌توانیم تجهیزات رباتیک نرمی را داشته باشیم که از آن به عنوان عضله مصنوعی یاد می‌کنیم. بدین ترتیب، می‌توانیم ماده نرمی داشته باشیم که علاوه بر فشار زیاد، بار زیادی را نیز تحمل کند. این ماده، بیشتر به عضله انسان شباهت دارد.

پیش از اینکه مواد مورد نظر بتوانند وعده خود را برآورده کنند، چند مانع وجود دارد که باید بر آنها غلبه کرد و راه‌حل‌هایی برای غلبه کردن بر این موانع در پژوهش حاضر پیشنهاد شده‌اند. فروالکتریک‌ها گروهی از مواد هستند که وقتی بار الکتریکی بیرونی اعمال می‌شود و بارهای مثبت و منفی در مواد به قطب‌های متفاوت می‌روند، قطبش الکتریکی خودجوش را نشان می‌دهند. کشش در این مواد طی روند انتقال فاز که در این مورد تبدیل انرژی الکتریکی به انرژی مکانیکی است، می‌تواند ویژگی‌هایی مانند شکل مواد را به طور کامل تغییر دهد و آنها را به محرک مفید تبدیل کند.

یکی از کاربردهای رایج محرک فروالکتریک، چاپگر جوهرافشان است که در آن شارژ الکتریکی، شکل محرک را تغییر می‌دهد تا نازل‌های ریزی که جوهر را روی کاغذ می‌ریزند و متن و تصویر را تشکیل می‌دهند، دقیقا کنترل شوند.

وانگ ادامه داد: در این پژوهش، ما راه‌حل‌هایی را برای دو چالش عمده در زمینه تحریک مواد نرم پیشنهاد کرده‌ایم. یکی این است که چگونه می‌توان نیروی مواد نرم را بهبود بخشید. ما می‌دانیم مواد محرک نرم که پلیمر هستند، بیشترین کشش را دارند اما در مقایسه با مواد پیزوالکتریک، نیروی بسیار کمتری را تولید می‌کنند.

چالش دوم این است که یک محرک پلیمری فروالکتریک معمولا به میدان محرکه بسیار بالایی نیاز دارد که نیروی عامل تغییر را بر سیستم تحمیل می‌کند و برای مثال، شکل آن را تغییر می‌دهد. در این مورد، برای ایجاد تغییر شکل در پلیمر و ایجاد واکنش فروالکتریک مورد نیاز برای تبدیل شدن به یک محرک، وجود میدان محرکه بالا ضروری است.

راه حل پیشنهادی برای بهبود عملکرد پلیمرهای فروالکتریک، توسعه نانوکامپوزیت پلیمری فروالکتریک قابل نفوذ است. پژوهشگران با ترکیب کردن نانوذرات در نوعی پلیمر موسوم به «پلی‌وینیلیدین فلورید»(Polyvinylidene fluoride)، یک شبکه به‌هم‌پیوسته از قطب‌ها را در پلیمر به وجود آوردند.

این شبکه یک انتقال فاز فروالکتریک را در میدان‌های الکتریکی بسیار کمتر از حد معمول القا می‌کند. این نتیجه از طریق یک روش الکتروحرارتی با استفاده از گرمایش ژول به دست آمد. استفاده از گرمایش ژول برای القای انتقال فاز در پلیمر نانوکامپوزیت فقط به کمتر از ۱۰ درصد قدرت میدان الکتریکی نیاز دارد که معمولا برای تغییر فاز فروالکتریک مورد نیاز است.

وانگ افزود: این کشش و نیرو در مواد فروالکتریک معمولا با یکدیگر در یک رابطه معکوس همبستگی دارند. اکنون می‌توانیم آنها را با هم در یک ماده ادغام کنیم. ما روش جدیدی را برای هدایت این رابطه با استفاده از گرمایش ژول ایجاد کردیم. از آنجا که میدان محرکه بسیار پایین‌تر از ۱۰ درصد خواهد بود، این ماده جدید می‌تواند برای بسیاری از کاربردها مانند دستگاه‌های پزشکی، دستگاه‌های نوری و رباتیک نرم که برای موثر بودن به میدان محرکه پایین نیاز دارند، استفاده شود.

این پژوهش، در مجله «Nature Materials» به چاپ رسید.