تیمی از محققان دانشگاه پنسیلوانیا با الهام از ساختار ماهیچه‌ها، یک راهبرد جدید نوآورانه برای ایجاد عملگرهای فیبری ارائه کردند که می‌تواند منجر به پیشرفت‌هایی در حوزه رباتیک، پروتز و لباس‌های هوشمند شود.
الهام از ماهیچه برای تولید ساختار عضله مصنوعی
رابرت هیکی، استادیار علوم و مهندسی مواد در ایالتی پنسیلوانیا می‌گوید: «عملگرها موادی هستند که تحت هر محرک خارجی تغییر شکل می‌دهند، مانند بخش‌هایی از ماشین که منقبض و خم می‌شوند یا منبسط می‌شوند. این ساختارها برای فناوری‌هایی مانند روباتیک ضروری بوده و ما باید نسخه‌های نرم و سبک وزن این مواد را توسعه دهیم که اساساً می‌توانند مانند ماهیچه‌های مصنوعی عمل کنند.»
این تیم یک فرآیند دو مرحله‌ای را برای ساخت عملگرهای فیبری ایجاد کرده که ساختار فیبرهای عضلانی را تقلید می‌کنند و از چندین جنبه در مقایسه با عملگرهای فعلی، از جمله در کارایی، فشار تحریک و خواص مکانیکی برتری دارند.
هیکی گفت: «این یک زمینه کاری بسیار وسیع است و تحقیقات هیجان انگیز زیادی در این حوزه وجود دارد، اما واقعاً روی مواد مهندسی برای بهینه‌سازی خواص متمرکز شده است. آنچه کار ما را هیجان انگیز می‌کند این است که ما واقعاً بر ارتباط بین شیمی، ساختار و ویژگی تمرکز می‌کنیم.»
هیکی قبلاً تیمی را رهبری می‌کرد که مواد هیدروژل خود مونتاژ شونده و نانوساختار را تولید می‌کرد. هیدروژل‌ها شبکه‌ای از پلیمرها هستند که می‌توانند متورم شوند و مقدار زیادی آب را نگه دارند و در عین حال ساختار خود را حفظ کنند.
در این تحقیقات جدید، دانشمندان دریافتند که الیاف ساخته شده از این ماده هیدروژل می‌توانند چندین برابر طول اولیه خود در هنگام هیدراته شدن، کشیده شده و سخت شوند و هنگام خشک شدن در حالت کشیده به شکل کشیده قفل شوند. به گفته دانشمندان، افزودن آب یا گرما به این مواد اجازه می‌دهد تا به اندازه اصلی خود بازگردند و استفاده از آن را به عنوان یک عملگر امیدوارکننده می‌سازد.
هیکی گفت: «ما شروع کردیم به تشخیص اینکه این الیاف منقبض شده‌اند و برخی از خواص واقعاً شگفت‌انگیز را نشان می‌دهند. زمانی که ما به توصیف ساختار پرداختیم، متوجه شدیم که چیزهای اساسی جالبی در اینجا اتفاق می‌افتد.»
به گفته دانشمندان، این مواد از ساختارهای بسیار هم‌تراز در مقیاس نانو با حوزه‌های بلوری و آمورف متناوب تشکیل شده‌اند که شبیه الگوی منظم ماهیچه‌های اسکلتی پستانداران است.»
خواص کششی استثنایی هیدروژل‌ها نتیجه ترکیب حوزه‌های نانومقیاس آمورف سفت و سخت و منافذ میکرومقیاس پر از آب است. هنگامی که هیدروژل‌ها کشیده می‌شوند، مانند یک نوار لاستیکی باز می‌شوند. اگر الیاف کشیده شده در حالت کشیده خشک شوند، شبکه پلیمری متبلور می‌شود و در شکل کشیده الیاف قفل می‌شود.
