عضلات الكترونية أقوى وأسرع وأكثر كفاءة
أصبحت العضلات الاصطناعية، التي كانت ذات يوم عبارة عن مجموعة متشابكة من المحركات المؤازرة المتقنة والمشغلات الهيدروليكية والهوائية، شيئًا من سبائك ذاكرة الشكل وألياف الأنابيب النانوية الكربونية الرقيقة للشعر (CNT) . وباختصار، فإن الأجهزة الإلكترونية الإلكترونية تصبح أصغر – وإن لم تكن أبسط من ذلك.
عضلات CNT الكهروكيميائية موفرة للطاقة أيضًا، كما أنها توفر ضربات عضلية أكبر. في الآونة الأخيرة، أثبتت مجموعة من الباحثين من الولايات المتحدة وأستراليا وكوريا الجنوبية والصين، الذين يعملون مع ألياف CNT المغلفة بالبوليمر الملتوية في خيوط، كيف يمكن أن تكون هذه العضلات أسرع وأكثر قوة وأكثر كفاءة في استخدام الطاقة.
تعمل عضلات CNT المدفوعة بالكهرباء عندما يتم تمرير جهد بين الألياف العضلية والقطب الكهربائي المضاد، مما يتسبب في حركة الأيونات من وإلى الإلكتروليت المحيط والعضلة. بشكل عام، ينتج عن هذا تقلص العضلات أو تمددها، حتى يصل الجهد إلى صفر شحنة – وبعد ذلك يغير الاتجاه. بعبارة أخرى، تحدث سكتة عضلية ثنائية القطب. ومع ذلك، فإن الحركة ثنائية القطب تؤدي إلى سكتة دماغية أصغر في العضلات، مما يقلل من كفاءة العضلات.
ابتكر فريق البحث طريقة للتحايل على هذا القيد. “بعد أن قام بتغليف السطح الداخلي للخيوط بسماكة نانومترية من البوليمرات الخاصة، تمكن الفريق من تحويل جهد الشحنة الصفرية للعضلة إلى خارج [نافذة استقرار الإلكتروليت، وهو نطاق الجهد الذي تتفكك بعده] يقول راي بوغمان، مدير معهد آلان جي ماكديارميد لتقنية النانو، جامعة تكساس في دالاس، أحد مؤلفي البحث. “هذه البوليمرات هي مواد موصلة أيونيًا ذات مجموعات كيميائية موجبة أو سالبة الشحنة. بمعنى آخر، يمكنهم قبول أيونات موجبة (كاتيونات) أو أيونات سالبة (الأنيونات). مع احتمال وجود شحنة صفرية خارج نافذة استقرار الإلكتروليت، يتسلل نوع واحد فقط من الأيونات (سواء الكاتيونات أو الأنيونات) إلى العضلات، وتعمل العضلات في اتجاه أحادي القطب”.
في المختبر، استخدم الباحثون عضلة من خيوط CNT مع قطب كهربائي مضاد كان غير محفز لإثبات مفهومهم. لكن بوغمان يقول إنه لا يجب أن يكون هذا هو الحال ووجدوا أنه باستخدام نوعين مختلفين من خيوط الأنابيب النانوية الكربونية المطلية بالبوليمر – أحدهما يحتوي على بدائل موجبة والآخر بالسلب – يمكنهما تكوين عضلة أحادية القطب ثنائية القط. ” يمكنك استخدام العمل الميكانيكي الذي تقوم به كل عضلة [بشكل إضافي] … [عن طريق] تجميع عدد غير محدود من هذه العضلات معًا.”
تمكن الفريق أيضًا من صنع عضلة من خيوط CNT ثنائية القطب مع إلكتروليت صلب، مما يلغي الحاجة إلى حمام إلكتروليت سائل.
قال تشونغ وانغ، طالب الدكتوراه والمؤلف المشارك، في البيان الصحفي: “تم نسج هذه العضلات أحادية القطب المزدوجة لصناعة المنسوجات المشغلة التي يمكن استخدامها في تشكيل الملابس”.
تولد عضلات المجموعة الكهروكيميائية أحادية القطب متوسط إنتاج طاقة ميكانيكي يبلغ 10 أضعاف متوسط قدرة العضلات البشرية، وحوالي 2.2 ضعف قدرة الطاقة العادية للوزن لمحرك ديزل V-8 بشاحن توربيني.
على هذا النحو، لديها مجموعة واسعة من التطبيقات – بما في ذلك الروبوتات والملابس القابلة للتكيف. من المثال السابق، يقول بوغمان إن المحركات الآلية يمكن أن تكون ثقيلة ويصعب تنسيقها في جهاز يتمتع بحرية حركة واسعة. على النقيض من ذلك، يمكن للعضلات الاصطناعية تشغيل الهياكل الخارجية الروبوتية الكهربائية، والتي يمكن أن تمكن الشخص من العمل في المستودع ونقل الأشياء الثقيلة بسهولة.
الملابس التي يمكن تعديلها وفقًا للراحة هي تطبيق آخر، مما يسمح لمرتديها بتغيير مسامية المنسوجات حسب الطقس. يمكن أن تستخدم الغرسات الطبية، مثل جهاز مساعدة القلب، عضلات اصطناعية مدمجة وخفيفة الوزن، مثل الأطراف الصناعية. ويضيف بوغمان: ” نحن [حاليًا] … نكتب اقتراحًا لإجراء دراسات ستشمل المرضى بالفعل”.
قبل أن تصبح التطبيقات الواقعية ممكنة، يكمن التحدي في إنتاج خيوط أنابيب نانوية كربونية عالية الجودة وفعالة من حيث التكلفة على نطاق واسع. يأمل بوغمان وفريقه أيضًا في تكييف عضلات CNT أحادية القطب لصنع حصادات طاقة ميكانيكية أكثر قوة.
