211service.com
Elektroaktive polymerer
I Artificial Muscle Research Institute ved University of New Mexico er elektricitet i luften. Når laboratoriedirektør Mohsen Shahinpoor sætter en spænding på en kunstig hånd lavet af en polymer-metal-komposit, krøller dens fingre til en knytnæve. Stik rundt i laboratoriet, og du vil se robotfisk svømme, vinger blafrer og arme løftes - alt sammen få deres muskler fra elektrisk aktiverede polymerer. Du har set robotter før, men der er noget andet ved disse. De kigger i live .
Siden begyndelsen af 1990'erne har materialeforskere og ingeniører udviklet elektroaktive polymerer til brug som sensorer, aktuatorer og kunstige muskler. En påført spænding ændrer polymerens sammensætning eller molekylære struktur, så den udvider sig, trækker sig sammen eller bøjes. Bevægelsen er jævnere og mere naturtro end bevægelse genereret af mekaniske anordninger: ligesom muskler er polymerer fleksible, uhindret af den klodsede stivhed af gear og lejer. Forskere mener, at med denne lighed med naturlig bevægelse kan elektroaktive polymerer revolutionere robotteknologi og biomedicinsk udstyr. Sådanne materialer kunne gøre det muligt at designe robotter, der manøvrerer med et menneskes ynde, benproteser, der bevæger sig og føles ægte, og implanterbare mikroleveringssystemer, der jævnt og roligt pumper medicin derhen, hvor der er brug for dem.
Denne historie var en del af vores decembernummer 2002
- Se resten af problemet
- Abonner
Indtil for nylig har elektroaktive polymerer imidlertid givet praktiske problemer. De brugte for meget energi. De kunne ikke generere nok kraft. Og de holdt ikke længe nok. Men forskere i den akademiske verden og industrien har fundet måder at gøre polymererne stærkere, mere robuste og mere effektive. Disse forbedringer, siger Yoseph Bar-Cohen, en seniorforsker ved NASAs Jet Propulsion Laboratory og en af feltets pionerer, vil muliggøre hurtigere implementering af science fiction-ideer i ingeniørvirkelighed.
Sidste september, i et gennembrud, der kunne føre til medicinsk udstyr med lavere effekt, rapporterede Qiming Zhang og hans kolleger ved Pennsylvania State University, at de havde skabt en elektroaktiv aktuator, der kræver en tiendedel af den spænding, der tidligere var nødvendig. Zhangs vigtigste fremskridt: en polymer-halvleder-komposit, der får mere elektrisk penge for pengene og forbliver meget fleksibel. Fordelene ved denne enhedsklasse er dens høje effektivitet og hurtige respons. Men det her er kun begyndelsen, siger Zhang. Han forudser, at farmaceutiske produkter baseret på teknologien - for eksempel små bærbare insulinpumper drevet af lavspændingsbatterier - kan være tilgængelige inden for fem år.
Benjamin Mattes, administrerende direktør for Santa Fe Science and Technology, bygger stærke, langtidsholdbare kunstige muskler ud af ledende polymerer, der udvider sig og trækker sig sammen som reaktion på ændringer i ionstrømmen ind i materialerne. Disse elektroaktive polymerer genererer enorme kræfter ved lave spændinger. Fordi kemiske reaktioner nedbryder polymeren, var tidligere versioner langsomme og i stand til kun at overleve nogle få cyklusser. Mattes’ seneste enhed smadrer dog tidligere rekorder for hastighed og holdbarhed. Dens koaksiale struktur - bittesmå fibre trådt gennem et hult rør og opslugt af flydende elektrolyt - gør det muligt for ioner at strømme hurtigt ind i fibrene som reaktion på påført spænding. Fordi han bruger en meget stabil og ledende ionisk væske som elektrolyt, siger Mattes, at han har opnået millioner af cyklusser uden nedbrydning.
Takket være sådanne fremskridt inden for materialevidenskab begynder elektroaktive polymerer at give nyttige biomedicinske anordninger. På University of New Mexico har Shahinpoor demonstreret tynde, holdbare kunstige muskler, der kan løfte mange gange deres egen vægt. Shahinpoor bruger materialerne til at udvikle implanterbare hjælpemidler såsom en pumpe, der fungerer som en mekanisk pacemaker til at komprimere hjertet og en lillebitte enhed, der korrigerer synet ved forsigtigt at klemme øjeæblet. Hans team kommercialiserer enhederne gennem en spinoff, Environmental Robots i Albuquerque, NM.
Der er dog masser af arbejde at gøre, før teknologien er klar til markedet. For at få succes, siger Shahinpoor, skal virksomheden sikre, at materialerne er kompatible med levende væv, og at deres funktioner kan kontrolleres præcist. Han bliver også nødt til at reducere produktionsomkostningerne med en faktor 10.
Selvom de næste fem år skulle se elektroaktive polymerer brugt som komponenter i mikrokirurgiske værktøjer, lægemiddelleveringssystemer og korrigerende hjælpemidler, kan sådanne fremskridt kun være en begyndelse. For at opnå mere naturtro robotter og proteseanordninger bliver forskerne nødt til at lave materialer, der er smartere og mere interaktive. Inden for 10 år sigter forskere mod at udvikle kunstige lemmer, der giver feedback til brugeren, yndefulde autonome robotter, der drives af muskellignende polymerer, og endda dragter, der forbedrer styrken og udholdenheden af soldater og redningsmandskab. Hvis forskningen lykkes, kan robotteknologi virkelig komme til live.