محققان با مهندسی نوعی هیدروژل موفق شدند تا از آن به عنوان عضله مصنوعی برای انجام کار مکانیکی استفاده نمایند.
طراحی هیدروژل که به عنوان عضله مصنوعی کار می‌کند
هیدروژل‌های فوق جاذب را می‌توان طوری مهندسی کرد که مقادیر قابل توجهی آب را جذب کند، در برخی موارد این هیدروژل‌ها با نسبت تورم ۳۰۰۰ برابر وزن خود آب جذب می‌کنند.
این ژل‌های پلیمری کاربردهایی از منسوجات گرفته تا کاربردهای زیست پزشکی و افزودنی‌هایی که خاک را برای رشد گیاه مرطوب نگه می دارند، ارائه می‌دهند.
هیدروژل ها معمولاً به صورت جامدات ماکروسکوپی یا به صورت مکعب و یا به صورت مهره ساخته می‌شوند و پس از قرار گرفتن در معرض مایع متورم می شوند. فرآیندی که برای میکرومهره‌های هیدروژل بسیار سریع رخ داده (در حد۱۰ ثانیه) اما برای جامدات بسیار بزرگتر می‌تواند تا ۲۴ ساعت طول بکشد.
برای اینکه یک ژل بزرگ به سرعت متورم شود، لازم است، متخلخل شود. در این حال مقیاس طول برای انتشار به جای اندازه کلی ژل، قطر حفره خواهد بود. اگر حفره‌ها در مقیاس میکرو باشند و به هم مرتبط باشند، ژل‌های متخلخل می‌توانند با سرعت‌هایی ۱۰۰-۱۰۰۰ برابر بیشتر از ژل‌های غیر متخلخل متورم شوند.
اگر یک هیدروژل در مقیاس بزرگ بتواند به سرعت منبسط شود، انبساط آن می‌تواند برای انجام کار مورد بهره برداری قرار گیرد، به عنوان مثال، انرژی شیمیایی مرتبط با انبساط ژل می‌تواند به انرژی مکانیکی تبدیل شود.
این امر آنها را برای استفاده به عنوان ماهیچه‌های مصنوعی جالب می‌کند. حرکت یک ژل در حال انبساط و انقباض را می توان برای انجام کارهای مکانیکی استفاده کرد. به عنوان مثال، چرخه‌ای از انبساط و انقباض ژل (در پاسخ به نور، دما یا نمک) را می‌توان با بلند کردن و پایین آوردن وزنه همراه کرد.
در مقاله‌ای که به تازگی محققان به چاپ رساندند، نشان دادند که چگونه هیدروژل‌های متخلخل با انبساط فوق‌العاده سریع می‌توانند برای انجام کار مکانیکی استفاده شوند.
این رویکرد جدید شامل کف کردن یک محلول مونومر با تزریق از طریق یک سرنگ دو سوزنه است. فوم از طریق واکنش یک اسید و یک باز تولید می‌شود که با هم ترکیب می شوند و گاز CO2 را به شکل حباب تولید می‌کنند. حباب‌ها توسط یک بیوپلیمر آمفیفیلیک، کیتوزان اصلاح شده آبگریز، موجود در یکی از ظرف‌ها تثبیت می‌شوند. سپس مونومرها (اکریلامید و اسید اکریلیک، با پیوندهای متقابل) در فوم پلیمریزه می‌شوند تا ژل در اطراف حباب‌ها تشکیل شود. پس از آن، این ژل در شرایط محیطی خشک می‌شود تا یک جامد متخلخل با تخلخل بیش از ۹۰ درصد و اندازه منافذ حدود ۲۰۰ میکرومتر به دست آید.
هنگامی که این ژل خشک به آب اضافه می‌شود، آب را به سرعت جذب می‌کند تا زمانی که در عرض ۱۵ ثانیه در حدود ۳۰۰ برابر وزن خود به تعادل برسد. سپس هیدروژل‌ها را می‌توان با کاهش pH، افزودن نمک یا افزودن اتانول کوچک کرد.
ژل متورم به اندازه کافی قوی است که با دست قابل برداشتن است. چرخه‌های برگشت پذیر انبساط-انقباض، که در آن ژل با جذب ۱۰۰ برابر آب منبسط می‌شود و سپس با بیرون راندن ۱۰۰ برابر آب منقبض می‌شود، می‌توانند در حدود ۶۰ ثانیه کامل شوند.
دراین پروژه از انبساط ژل برای بلند کردن بارها در برابر نیروی گرانش استفاده شده است. یک ژل ۴۰ میلی گرمی قادر است ۰٫۴۲ میلی ژول کار را در مدت ۴۰ ثانیه انجام دهد که به تراکم توان ۲۶۰ میلی وات بر کیلوگرم تبدیل می‌شود.
محققان به این نتیجه رسیدند که این توانایی برای مهار پتانسیل شیمیایی ژل برای انجام کارهای مکانیکی مفید می تواند برای بسیاری از کاربردها، از جمله در ایجاد عضلات مصنوعی، مناسب باشد.
