Super soldater

I slutningen af ​​sidste år gik den amerikanske hær på indkøb efter nogle nye uniformer. Den var ikke interesseret i camouflagedragter og oliventræer eller endda i bedre versioner af det højteknologiske udstyr, som tropperne båret i Afghanistan. Hvad hæren ønskede, var en letvægts kampuniform, der var i stand til at stoppe kugler og toksiner, overvåge en soldats helbred, kommunikere med fjernkommandører - endda muliggør overmenneskelig styrke. Men på trods af denne visions ekstravagance, og selvom de søgte til akademiske forskningsinstitutioner for at få hjælp, gjorde hærens embedsmænd et andet centralt ønske klart. Som MIT-materialeforsker Edwin Thomas husker, ville de ikke kun have papirer ind Videnskab eller Natur . De ville have rigtige ting.

Rigtige ting er præcis, hvad MIT-forskere præsenterede i januar sidste år for et gæstende hærhold. Maskiningeniør Ian Hunter afspillede en video af et spjættende stykke sort bånd - en ekspanderende og sammentrækkende kunstig muskel, der i en kampuniform kunne danne en tourniquet eller øge benstyrken. Materialeforsker Yoel Fink viste nogle glitrende optiske tråde frem, der er i stand til at reflektere og absorbere forskellige bølgelængder af lys med stor specificitet - en egenskab, der kunne udnyttes til fjerninfrarød kommunikation, der for eksempel kunne give soldater mulighed for stille at identificere sig over for allierede om natten. Fakultetets medlemmer forklarede, hvordan en mikroskopisk sensor, som MIT-kemikeren Tim Swager havde bygget, kun et par molekyler bred, kunne snuse en soldats ånde for kemiske tegn på stress.

Denne historie var en del af vores oktoberudgave fra 2002

• Se resten af ​​problemet
• Abonner

Styrke

Et hovedformål med det nye institut er at skabe en kampuniform, der har indbygget styrke - styrken til at hjælpe en soldat med at løfte tunge genstande, pumpe kølevæsker gennem indlejrede kanaler eller stivne omkring et blødende sår. Hunters spjættende sorte bånd er en tidlig indikation af, at nanomaterialer kan være i stand til at levere den slags styrke.

Båndet er lavet af en elektroaktiv polymer, der kan bevæge sig eller ændre form som reaktion på et elektrisk signal. Forskere har længe forestillet sig at bruge disse polymerer - som kan være 100 gange stærkere end menneskelige muskler - som kunstige muskler. Men indtil videre har de vist sig upraktiske som muskellignende maskiner, hovedsageligt fordi deres bevægelser er relativt træge, og også fordi de kun har været i stand til at trække sig sammen eller udvide sig med et par procent af deres længde. Menneskelige muskler kan trække sig sammen og udvide sig med 20 procent.

I Hunters og Swagers laboratorier har forskere dog for nylig arbejdet sammen for at gøre store fremskridt hen imod et materiale med tilstrækkelig bevægelsesområde til at være nyttigt. Nøglen er en række molekyler, der fungerer som stænger og hængsler. Ved at dreje på hængslerne afviser eller tiltrækker stængerne hinanden, når en ladning påføres eller fjernes. Ved at fastgøre millioner af disse stænger og hængsler ende mod ende som segmenter af en foldelineal, var forskerne i stand til at skabe polymerer, der forlænger og forkortes som reaktion på elektriske stimuli (se Molekylær muskel nedenfor) . En film lavet af disse polymerer producerer muskellignende bevægelser. Inden for de sidste par måneder, siger Hunter, har vi fordoblet bevægelsesområdet og nærmet os det for menneskelige muskelceller.

Molekylær muskel

En polymer, der trækker sig sammen og udvider sig lige så meget som menneskelige muskler, bruger molekylære hængsler og stænger. Stængerne frastøder og tiltrækker hinanden, når en ladning påføres (øverst) og fjernes (nederst). (Illustration af John MacNeill)

Denne stigning i, hvor meget polymeren kan udvide sig og trække sig sammen, kombineret med dens imponerende styrke - som forskerne endnu ikke har målt, men forudser at være ti gange større end menneskelige muskler - kunne tænkes at tillade en kampuniform indlejret med 1,4 kg af materialet at løfte 80 kilo en meter højt. Med andre ord kunne en soldat ubesværet hejse et tungt stykke udstyr eller endda en falden kammerat. Problemet: dette ville tage mindst et minut, siger John Madden, en elektrisk ingeniør ved University of British Columbia i Vancouver, som indtil for nylig ledede forskning i elektroaktiv polymer i Hunters laboratorium.

At give disse elektroaktive polymerer brugbar hastighed er den næste forhindring. Det vil kræve at skære ned på materialernes elektriske modstand, så en påført ladning kan udføre sit arbejde hurtigere. Forskerne planlægger at reducere modstanden ved at inkorporere kulstofnanorør -lange, rørlignende molekyler - i fremtidige generationer af materialerne. Visse versioner af kulstof nanorør er fremragende elektriske ledere, der kunne levere ladning gennem hele materialet meget hurtigere. Hunter- og Swager-grupperne håber at kunne lave kunstige muskler, der er lige så hurtige som menneskelige muskler om fem år.

At integrere muskelmaterialet med resten af ​​soldatens dragt er den største udfordring. De elektroaktive polymerer skal f.eks. forbindes med et strømfordelings- og signalsystem; konventionelle ledninger er simpelthen for stive til arbejdet med at tilslutte et ryk, bøjeligt materiale. Så i det seneste år har Hunter og hans kolleger udviklet båndlignende ledninger lavet af fleksible elektrisk ledende polymerer. I stedet for at stive kobbertråde går ind i polymervæv, vil vi have vævslignende tråde, der går ind i væv, siger Hunter.

Meddelelse

Andre teknologier vil være nødvendige for at give dragten mulighed for at kommunikere med omverdenen. Tidligere i år annoncerede MIT's Fink udvikling af coatede polymertråde, der måske er lige sagen, hvilket muliggør tavs kommunikation med fjerne allierede eller befalingsmænd gennem brug af synligt eller infrarødt lys.

Finks tråde er i stand til selektivt at reflektere eller absorbere forskellige bølgelængder af lys, takket være deres belægning, som inkorporerer adskillige ultratynde lag af to gennemsigtige materialer - det ene organisk, det andet uorganisk. De to materialer sænker lyset med forskellige hastigheder. I det resulterende tumult af refleksioner i disse lag reflekteres nogle bølgelængder kraftigt tilbage ud af fiberen, og andre udlignes. Hvilke bølgelængder der bliver reflekteret afhænger af lagenes tykkelse, som kan variere fra 100 til 1.000 nanometer og kan styres præcist.

Mens de fleste fotonikforskere arbejder på chips og andre gadgets til optisk telekommunikation, er Finks gruppe den første til at bygge en fotonisk tråd, der kunne laves om til et tekstil, siger Eli Yablonovitch, en elektrisk ingeniør ved University of California, Los Angeles, og en pioner inden for optiske materialer. En mulig anvendelse af disse tråde: en del af en kampuniform, der kraftigt reflekterer en specifik signatur af omgivende infrarødt lys. Under forvirringen af ​​en natlig ildkamp, ​​for eksempel, kunne en sådan optisk stregkode identificere en soldat som ven til andre tropper udstyret med nattesynsbriller indstillet til det rigtige reflekterede lys. Og Finks team vil også gerne finde på en måde at tune disse materialer på i farten, så bølgelængden kan ændres elektrisk (og eksternt), hvis en fjende får fingrene i en uniform.

Dette giver en særlig udfordring, siger Yablonovitch. Der er mange løsninger. Bare ingen gode. De har deres arbejde for at gøre det praktisk for hæren, siger han.

For nu skubber Finks gruppe videre med flere tilgange til at gøre de optiske fibre tunbare. En strategi involverer at skabe et slags strækkestativ, der kan trække fibrene stramme. Spændingen ville fortynde lagene og ændre den reflekterede bølgelængde (se Finjustering nedenfor) . En anden tilgang udnytter det faktum, at et af materialerne i lagene - arsen triselenid - sænker lyset med en anden hastighed i nærvær af et elektrisk felt; ændre feltet, og du ændrer refleksionen af ​​hele fiberen. Disse tilgange, siger Fink, kunne producere en tunbar fiber inden for to år.

Finjustering

Et tværsnit viser de ydre lag af optiske materialer, der belægger en polymertråd. Lagenes tykkelse bestemmer, hvordan lys reflekteres.

Før: Hvis bølgelængden er forskellig fra lagenes tykkelse, kan lyset passere igennem.

Efter: At strække tråden kan tynde lagene ud, så deres bredde matcher den røde bølgelængde. Ved hver grænse mellem lag ville noget rødt lys blive reflekteret (brudt linje), og noget ville fortsætte videre.

Beskyttelse

Naturligvis er uniformens overordnede opgave at beskytte soldaten, og evnen til at springe fra skadens vej eller i stilhed at annoncere sig selv til allierede ville gøre det indirekte. Men hærens vision er en kulør, der også ville give direkte beskyttelse mod alt fra kugler til miltbrand. Forbedret ballistisk beskyttelse er for det meste teoretisk på dette tidspunkt, men nogle meget reelle værktøjer mod biologiske og kemiske angreb er allerede i hånden.

En sådan teknologi er baseret på stærkt forgrenede polymermolekyler kaldet dendrimerer. Ved at modificere enderne af en dendrimers grene, så hver af dem klæber til et farligt molekyle og uskadeliggør det, har hærforskere allerede skabt et beskyttende stof med stor absorberende kraft for dets vægt. Men indtil videre har de kun kunne bruge stoffet ved at blande det i en solcremelignende creme. Problemet med at tilføje denne teknologi til en soldats dragt er, at dendrimerer ikke så let klæber til hinanden og derfor er svære at forme til et stabilt materiale, der ville kunne modstå misbruget af en slagmark og en vaskemaskine.

For at hjælpe med at lave et mere robust materiale har MIT kemiingeniør Paula Hammond designet dendrimere med haler. Disse haler, flere gange længere end dendrimerens grene, har en tendens til at vikle sig ind i hinanden og holder molekylerne låst sammen uden at blokere grenene i at udføre deres arbejde. Det er som et omfattende rodsystem til en skov af molekylære træer, og det kunne tillade de forankrede dendrimerer at lave en sej beskyttende film. Disse teknologier spirer lige nu. Vi kan tage dem og begynde at inkorporere dem i stoffer og belægninger, siger Hammond.

MIT-forskere arbejder også på teknologier, der kan hjælpe med at overvåge en soldats helbred på afstand, uanset hvilke farer han eller hun kan støde på. Indbyggede sensorer, der registrerer ændringer i kroppens kemi, kan for eksempel hjælpe med at afgøre, om en faldet soldat er kritisk såret eller kan vente på hjælp. Sådanne sensorer skal være ekstremt følsomme, men også robuste og enkle at betjene.

Og Swager har taget et godt første skridt. Ved at bruge specialdesignede polymerer som detektor har Swager for nylig udviklet en enhed til at registrere koncentrationer af nitrogenoxid, et kemikalie, der findes i menneskers ånde. Nitrogenoxid stiger, når kroppen er stresset (se Sensing Health, nedenfor) . Alene taget fortæller en nitrogenoxidmåling måske ikke hele historien, men sensoren er et første element, der kunne være en del af måder at vurdere soldatens fysiologiske tilstand på, siger Swager.

Fornemmelse af sundhed

En sensor, der bruger en elektrisk ledende polymer, kan direkte detektere nitrogenoxidkoncentrationer i en soldats åndedræt. Cobaltatomer i polymeren binder og frigiver nitrogenoxidmolekyler, hvilket forårsager udsving i modstanden af ​​polymeren, som ligger mellem elektroderne. (Illustration af John MacNeill)

Nitrogenoxiddetektoren bruger nanoskopiske polymertråde, der er i stand til at lede elektricitet. Når nitrogenoxid binder til polymeren, producerer det en ændring i elektrisk modstand, som let kan detekteres. Derudover falder nitrogenoxidmolekylerne hurtigt af sensoren, hvilket giver enheden mulighed for at levere kontinuerlige målinger af kemikaliets koncentration.

Selvom det kun er en prototype i dag, kan Swagers enhed i sidste ende blive inkorporeret i en maske eller stoffet i en soldats dragt for at detektere andre kemikalier - såsom kulbrinter og ketoner - der kan være indikatorer for stress eller sygdom, eller for at detektere biologiske og kemiske agenser.

Integration

Selvom Swager og de andre forskere i instituttet fortsætter med at finde frem til sådanne nye materialer og enheder, tænker de allerede på, hvad der i sidste ende bliver deres største udfordring: at få alle deres opfindelser til at fungere sammen i et masseproducerbart jakkesæt. Det bliver et system- og integrationsproblem, som vi aldrig har set før, siger Swager.

Det er her, DuPont kunne hjælpe. Virksomheden har årtiers erfaring med at udvikle sådanne ultrastærke materialer som Kevlar, der bruges til skudsikre veste. Nu skal det hjælpe med at skabe nye processer til at integrere flere nanomaterialer i ét tekstil. Et problem: ikke alle polymerer er kompatible. De er ikke ens, og de opfører sig ikke ens, siger Wayne Marsh, forskningschef ved DuPont Central Research and Development i Wilmington, DE. Nogle er lavet meget anderledes; den samme proces kunne nedbryde én polymer, mens den danner en anden. At forene disse forskelle vil kræve tilpasning af polymerernes kemi eller tilføjelse af belægninger for at beskytte dem mod hinanden. Alt i alt er det her virkelig edge-ting, siger Thomas. Det er ligesom Jack Kilby fra Texas Instruments i begyndelsen af ​​1950'erne, der tænkte på at lave ti eller hundredevis af transistorer på en enkelt siliciumchip. Du må sige, hvordan ville vi gøre det?’

Army brass og det civile medicinske samfund har store forhåbninger om, at Thomas og hans MIT-kolleger vil finde svaret, og finde ud af ikke kun, hvordan man perfektionerer nye materialer og enheder, men også hvordan man væver dem sammen med revolutionerende resultater. Men de er realistiske. Jeg ved ikke, at alt dette kommer til at give det, jeg ønsker, når jeg vil have det, og gøre det til en overkommelig pris, siger hærens Andrews.

Det nye institut vil helt sikkert ikke producere den fuldt integrerede kampuniform om fem år. I stedet vil succes på den tidsskala betyde en meget lettere skudsikker vest eller robust optisk ven-eller-fjende materiale, siger Thomas. Et mål for succes vil være, hvis vi har fået hærens folks opmærksomhed og tillid til at tro på at bruge nanoteknologi til den enkelte soldat, siger han. Stor succes vil være, hvis vi rent faktisk lægger noget håndgribeligt i en soldats hænder. Det bliver ikke nemt. Men givet instituttets forspring på materialeudvikling, har den amerikanske hær i det mindste en kæmpe chance for at få den uniform, den søger.

skjule