Ίνες νανοτεχνολογίας μιμούνται τους ανθρώπινους μύες

Η μίμηση του ανθρώπινου σώματος, και συγκεκριμένα των ενεργοποιητών που ελέγχουν την κίνηση των μυών, παρουσιάζει τεράστιο ενδιαφέρον στον ιατρικό κόσμο. Τα τελευταία χρόνια, έχει οδηγήσει σε πολλές καινοτομίες για τη βελτίωση της ρομποτικής, των προσθετικών άκρων, αλλά η δημιουργία αυτών των ενεργοποιητών συνήθως περιλαμβάνει πολύπλοκες διαδικασίες, με ακριβά και δυσεύρετα υλικά.

Ερευνητές του Πανεπιστημίου του Τέξας στο Όστιν και του Πολιτειακού Πανεπιστημίου της Πενσυλβάνια δημιούργησαν έναν νέο τύπο ίνας που μπορεί να λειτουργεί σαν μυϊκός ενεργοποιητής, με πολλούς τρόπους καλύτερα από άλλες επιλογές που υπάρχουν σήμερα. Και, το σημαντικότερο, αυτές οι ίνες που μοιάζουν με μυς είναι εύκολο να κατασκευαστούν και να ανακυκλωθούν.

Σε μια νέα εργασία που δημοσιεύθηκε στο Nature Nanotechnology (“Nanostructured block copolymer muscles“), οι ερευνητές έδειξαν ότι οι ίνες αυτές, τις οποίες ανακάλυψαν αρχικά ενώ εργάζονταν σε ένα άλλο έργο, είναι πιο αποτελεσματικές, εύκαμπτες και ικανές να αντέξουν αυξημένη καταπόνηση σε σύγκριση με ό,τι υπάρχει σήμερα.

Οι ίνες αυτές θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν με διάφορους τρόπους, όπως στην ιατρική και τη ρομποτική.
“Μπορείτε ουσιαστικά να κατασκευάσετε ένα άκρο από αυτές τις ίνες σε ένα ρομπότ που ανταποκρίνεται σε ερεθίσματα και επιστρέφει ενέργεια, αντί να χρησιμοποιείτε ένα μηχανικό μοτέρ για να το κάνετε αυτό“, δήλωσε ο Manish Kumar, αναπληρωτής καθηγητής στο Τμήμα Πολιτικών, Αρχιτεκτονικών και Περιβαλλοντικών Μηχανικών της Σχολής Μηχανικών Cockrell και ένας από τους κύριους συγγραφείς της εργασίας.

Αυτό το είδος ρομποτικού βραχίονα θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί σε έναν βοηθητικό εξωσκελετό για να βοηθήσει άτομα με αδύναμα χέρια να ανακτήσουν την κίνηση και τη δύναμή τους

Μια άλλη πιθανή εφαρμογή, λένε οι ερευνητές, θα μπορούσε να είναι ένα είδος “αυτοκλειόμενου επιδέσμου” που θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί σε χειρουργικές επεμβάσεις και να απορροφηθεί φυσικά μέσα στο σώμα μόλις επουλωθεί η πληγή.

“Οι ενεργοποιητές είναι οποιοδήποτε υλικό που θα αλλάξει ή θα παραμορφωθεί κάτω από οποιαδήποτε εξωτερικά ερεθίσματα, όπως τα μέρη μιας μηχανής που θα συστέλλονται, θα λυγίζουν ή θα διαστέλλονται“, δήλωσε ο Robert Hickey, επίκουρος καθηγητής επιστήμης και μηχανικής υλικών στο Penn State και συγγραφέας του άρθρου. “Και για τεχνολογίες όπως η ρομποτική, πρέπει να αναπτύξουμε μαλακές, ελαφριές εκδοχές αυτών των υλικών που μπορούν ουσιαστικά να λειτουργούν ως τεχνητοί μύες. Το έργο μας αφορά στην πραγματικότητα την εξεύρεση ενός νέου τρόπου για να το κάνουμε αυτό“.

Πώς γίνεται η δημιουργία του

Το υλικό της ίνας είναι γνωστό ως συμπολυμερές μπλοκ. Για τη δημιουργία του απαιτείται μόνο η τοποθέτηση του πολυμερούς σε έναν διαλύτη και στη συνέχεια η προσθήκη νερού.Ένα μέρος του πολυμερούς είναι υδρόφιλο (έλκεται από το νερό), ενώ το άλλο μέρος είναι υδρόφοβο (αντιστέκεται στο νερό). Τα υδρόφοβα μέρη του πολυμερούς ενώνονται για να προστατευτούν από το νερό, δημιουργώντας τη δομή της ίνας.

Παρόμοιες υπάρχουσες ίνες απαιτούν ηλεκτρικό ρεύμα για να διεγείρουν τις αντιδράσεις που συνδέουν τα μέρη μεταξύ τους. Αυτή η χημική διασύνδεση είναι πιο δύσκολο να πραγματοποιηθεί, σε σύγκριση με τη νέα ίνα των ερευνητών, η οποία είναι μια μηχανική αντίδραση, που σημαίνει ότι τα μέρη αναλαμβάνουν μόνα τους το μεγαλύτερο μέρος της εργασίας.

Ένα άλλο πρόσθετο πλεονέκτημα είναι ότι είναι απλό να αντιστρέψετε τη διαδικασία και να επαναφέρετε τα κομμάτια της ίνας στην αρχική τους κατάσταση.
“Η ευκολία παρασκευής αυτών των ινών από το πολυμερές και η ανακυκλωσιμότητά τους είναι πολύ σημαντικές και είναι μια πτυχή που δεν καλύπτουν πολλές από τις άλλες πολύπλοκες έρευνες για τεχνητούς μύες“, δήλωσε ο Kumar.

Δοκιμές αντοχής

Οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι οι ίνες τους ήταν κατά 75% πιο αποτελεσματικές όσον αφορά τη μετατροπή της ενέργειας σε κίνηση, μπορούσαν να αντέξουν 80% μεγαλύτερη καταπόνηση και μπορούσαν να περιστρέφονται με μεγαλύτερη ταχύτητα και δύναμη από τους σημερινούς ενεργοποιητές.

Και μπορεί να τεντωθεί σε περισσότερο από 900% του μήκους του πριν σπάσει. Η ανακάλυψη έγινε ενώ οι ερευνητές εργάζονταν σε κάτι άλλο. Προσπαθούσαν να χρησιμοποιήσουν αυτά τα πολυμερή για να κατασκευάσουν μεμβράνες για το φιλτράρισμα του νερού. Ωστόσο, οι δομές που δημιούργησαν ήταν πολύ μεγάλες για μεμβράνες.

Τεντώθηκαν στο πενταπλάσιο του αρχικού τους μήκους και διατήρησαν αυτό το μήκος. Οι ερευνητές παρατήρησαν ότι αυτά τα χαρακτηριστικά ήταν παρόμοια με του μυϊκού ιστού, οπότε αποφάσισαν να μετατοπίσουν την εστίαση.
Οι ερευνητές βρίσκονται στην αρχή του έργου και σχεδιάζουν να μάθουν περισσότερα για τις δομικές αλλαγές του πολυμερούς και να βελτιώσουν ορισμένες από τις ιδιότητες ενεργοποίησης, συμπεριλαμβανομένης της ενεργειακής πυκνότητας και της ταχύτητας.

Μπορούν επίσης να χρησιμοποιήσουν την ίδια τεχνική σχεδιασμού για να δημιουργήσουν ενεργοποιητές που ανταποκρίνονται σε διαφορετικά ερεθίσματα, όπως το φως.

ΠΗΓΗ: University of Texas at Austin