กล้ามเนื้อเทียมนาโนทิวบ์รับจังหวะ

กล้ามเนื้อเทียมที่ขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้าเคมีซึ่งทำจากท่อนาโนคาร์บอนแบบบิดจะหดตัวมากขึ้นเมื่อขับเคลื่อนเร็วขึ้นด้วยการเคลือบโพลีเมอร์ที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าแบบใหม่ อุปกรณ์ดังกล่าวได้รับการพัฒนาโดยRay Baughmanจากมหาวิทยาลัยเท็กซัสในดัลลาสในสหรัฐอเมริกาและทีมงานระดับนานาชาติ โดยสามารถเอาชนะข้อจำกัดบางประการของกล้ามเนื้อเทียมรุ่นก่อนๆ ได้ และสามารถใช้กับหุ่นยนต์ สิ่งทอ “อัจฉริยะ” และปั๊มหัวใจได้

ท่อนาโนคาร์บอน (CNTs) เป็นแผ่นคาร์บอน

ที่ม้วนขึ้นโดยมีผนังบางเพียงอะตอมเดียว เมื่อบิดเข้าด้วยกันเพื่อสร้างเส้นด้ายและวางไว้ในอ่างอิเล็กโทรไลต์ กระบอกคาร์บอนแบบกลวงเหล่านี้สามารถสร้างให้ขยายตัวและหดตัวเพื่อตอบสนองต่อปัจจัยการผลิตไฟฟ้าเคมี เช่นเดียวกับกล้ามเนื้อของมนุษย์หรือสัตว์ ในการตั้งค่าทั่วไป ความต่างศักย์หรือศักย์ไฟฟ้าระหว่างเส้นด้ายและอิเล็กโทรดแบบนับจะขับไอออนจากอิเล็กโทรไลต์เข้าสู่เส้นด้าย ทำให้ “กล้ามเนื้อ” ทำงาน

แม้ว่ากล้ามเนื้อ CNT ที่ขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้าเคมีเหล่านี้จะใช้พลังงานอย่างมีประสิทธิภาพและแข็งแรงมาก แต่ก็สามารถยกของได้มากถึง 100,000 เท่าของน้ำหนักตัวของมันเอง แต่ก็มีข้อจำกัด สิ่งสำคัญคือพวกมันเป็นไบโพลาร์ ซึ่งหมายความว่าทิศทางการเคลื่อนที่ของพวกมันจะเปลี่ยนเมื่อใดก็ตามที่ศักยภาพลดลงเหลือศูนย์ เอฟเฟกต์นี้ช่วยลดจังหวะโดยรวมของแอคชูเอเตอร์ ข้อเสียอีกประการหนึ่งคือความจุของกล้ามเนื้อ นั่นคือ ความสามารถในการเก็บประจุที่จำเป็นในการขยายหรือหดตัว จะลดลงเมื่อศักยภาพถูกสแกนเร็วขึ้น ซึ่งทำให้โรคหลอดเลือดสมองลดลงด้วย

พอลิเมอร์ “แขก”ในการศึกษานี้ เช่นเดียวกับในงานก่อนหน้านี้บาห์แมนและเพื่อนร่วมงานได้สร้างกล้ามเนื้อเทียมจาก “ป่า” ของ CNTs ทั้งหมดที่อยู่ในแนวตั้งในทิศทางเดียวกัน จากนั้นพวกเขาดึงแผ่นนาโนทิวบ์บาง ๆ จากป่าแล้วบิดเป็นเส้นด้ายที่มีเกลียวของ CNTs พันกัน ในขั้นตอนสุดท้าย ซึ่งเป็นเอกลักษณ์เฉพาะสำหรับชุดการทดลองนี้ พวกเขาเคลือบพื้นผิวภายในของ CNT ด้วยพอลิเมอร์ที่นำไฟฟ้าด้วยไอออนซึ่งประกอบด้วยกลุ่มเคมีที่มีประจุบวกหรือลบ

วัสดุโพลีเมอร์ “แขก” ตัวแรกที่กลุ่มศึกษา

คือโพลี (โซเดียม 4-สไตรีนซัลโฟเนต), PSS โครงสร้างที่ได้นั้นเรียกว่าเส้นด้าย PSS@CNT และประกอบด้วย PSS ประมาณ 30 เปอร์เซ็นต์โดยน้ำหนัก เพื่อหาค่าศักย์ไฟฟ้าเป็นศูนย์ของเส้นด้ายนี้ นั่นคือ ศักยภาพที่จังหวะการเปลี่ยนทิศทาง นักวิจัยได้ใช้เทคนิคที่เรียกว่า piezoelectrochemical spectroscopy ซึ่งพวกเขาพัฒนาขึ้นเอง จากนั้นจึงทดสอบเส้นด้ายในอ่างที่มีอิเล็กโทรไลต์ที่เป็นน้ำหรืออินทรีย์

ไบโพลาร์ถึงยูนิโพลาร์Baughman และเพื่อนร่วมงานซึ่งรายงานงานของพวกเขาในScienceพบว่าการเคลือบโพลีเมอร์จะเปลี่ยนการกระตุ้นแบบไบโพลาร์ตามปกติของเส้นด้าย CNT ให้เป็นการกระตุ้นแบบ unipolar กล่าวอีกนัยหนึ่ง กล้ามเนื้อเคลือบจะกระตุ้นในทิศทางเดียวตลอดช่วงศักย์ไฟฟ้าทั้งหมดที่อิเล็กโทรไลต์ยังคงเสถียร

คำอธิบายของทีมสำหรับพฤติกรรมที่ผิดปกตินี้คือสนามขั้วของพอลิเมอร์เปลี่ยนศักยภาพประจุเป็นศูนย์ของเส้นด้ายให้เป็นค่าที่อยู่นอกช่วงความเสถียรของอิเล็กโทรไลต์ ซึ่งหมายความว่าไอออนของขั้วเดียวเท่านั้น (บวกหรือลบ) ถูกผลักเข้าไปในเส้นด้าย สมาชิกในทีมZhong Wangอธิบาย ดังนั้นจังหวะของกล้ามเนื้อจะเปลี่ยนไปในทิศทางเดียวเท่านั้นก่อนที่ทิศทางของการเปลี่ยนแปลงแรงดันไฟฟ้าจะกลับกัน สมาชิกในทีมJiuke Muกล่าวเสริมว่าจำนวนโมเลกุลอิเล็กโทรไลต์ที่ถูกปั๊มอิเล็กโทรออสโมติกเข้าไปในกล้ามเนื้อยังเพิ่มศักยภาพในการเปลี่ยนแปลงหรือสแกนได้เร็วขึ้นตลอดช่วง

กล้ามเนื้อเทียมไปพร้อมกับการบิดตัว สำหรับประสิทธิภาพของกล้ามเนื้อ unipolar ใหม่ นักวิจัยพบว่าพลังงานกลเอาท์พุตเฉลี่ยสูงสุดที่พวกเขาสร้างคือ 2.9 W ต่อกรัมของกล้ามเนื้อ Mu กล่าว ซึ่งมากกว่าความสามารถทั่วไปของกล้ามเนื้อมนุษย์ประมาณ 10 เท่า และความสามารถด้านกำลังที่ทำให้เป็นมาตรฐานโดยน้ำหนักของเครื่องยนต์ดีเซล V-8 เทอร์โบชาร์จประมาณ 2.2 เท่า

กล้ามเนื้อเส้นด้ายแบบโซลิดสเตตแบบอิเล็กโทรดคู่

ในขั้นตอนสุดท้ายของการวิจัย นักวิทยาศาสตร์ได้แสดงให้เห็นว่าพวกเขาสามารถรวมกล้ามเนื้อเส้นด้าย unipolar สองประเภทที่แตกต่างกันเพื่อสร้างกล้ามเนื้อเส้นด้ายแบบขั้วไฟฟ้าแบบขั้วไฟฟ้าคู่ ซึ่งจะทำให้ไม่จำเป็นต้องใช้อ่างอิเล็กโทรไลต์เหลว Wang อธิบายว่าอิเล็กโทรไลต์แบบโซลิดสเตตจะเชื่อมต่อเส้นด้าย CNT แบบขดสองเส้นที่มีแขกโพลีเมอร์ต่างกัน อันหนึ่งมีส่วนประกอบที่มีประจุลบ และอีกอันหนึ่งมีประจุบวก การฉีดไอออนบวกและประจุลบหมายความว่าเส้นด้ายทั้งสองมีส่วนทำให้เกิดการกระตุ้นในระหว่างการชาร์จ Wang กล่าว เขาแนะนำว่าในอนาคต กล้ามเนื้อขั้วเดียวแบบขั้วเดียวสามารถทอเข้าด้วยกันเพื่อสร้างสิ่งทอที่กระตุ้นซึ่ง “แปรผัน” เพื่อตอบสนองต่อสิ่งเร้าทางไฟฟ้า

สมาชิกของทีมซึ่งรวมถึงนักวิทยาศาสตร์จาก University of Illinois at Urbana-Champaign, Changzhou University, Jiangsu University, Harbin Institute of Technology, Hanyang University, Seoul National University, Deakin University, University of Wollongong, Opus 12 และ MilliporeSigma ตอนนี้วางแผนที่จะใช้ประโยชน์จากกล้ามเนื้อเหล่านี้ในหุ่นยนต์และแขนขาเทียมตลอดจนสิ่งทอ

ลดแรงเสียดทานกระดาษถูกแบ่งออกเป็นแถบซึ่งนักวิจัยใช้เพื่อแสดงส่วนของข้อบกพร่องแต่ละส่วนภายใต้อิทธิพลของหลุมฉีดที่แตกต่างกัน สำหรับความผิดพลาดที่แท้จริง การฉีดของเหลวที่มีแรงดันจะทำให้แรงเสียดทานที่เห็นได้ชัดของระบบลดลง ซึ่งอาจกระตุ้นการทำงานผิดพลาดอีกครั้งและเริ่มต้นการลื่น ในแบบจำลอง สามารถทำให้เกิดความเครียดที่ลดลงได้โดยการทำให้ม้วนครัวเปียก ซึ่งทำให้ความแข็งแรงของกระดาษลดลงก่อนที่จะเกิดความล้มเหลว

“โดยการทำให้กระดาษที่มีรูพรุนเปียกไปเรื่อย ๆ เราจำลองการฉีดของเหลวในเปลือกโลก การฉีดแต่ละครั้งมาพร้อมกับแรงสั่นสะเทือน ซึ่งค่อยๆ ปล่อยพลังงานและปรับเปลี่ยนงบประมาณด้านพลังงานของระบบ” Stefanou อธิบาย “การทดลองของเราแสดงให้เห็นว่าหากปราศจากความรู้ที่แม่นยำเกี่ยวกับคุณสมบัติของข้อบกพร่อง เราเสี่ยงที่จะทำให้ระบบไม่เสถียรและก่อให้เกิดเหตุการณ์แผ่นดินไหวครั้งใหญ่” เขากล่าวต่อ โดยสังเกตถึงความเกี่ยวข้องกับสถานการณ์การฉีดของเหลวในโลกแห่งความเป็นจริงที่อาจก่อให้เกิดแผ่นดินไหวได้

“อย่างไรก็ตาม เขากล่าวเสริมว่า “โดยที่พารามิเตอร์หลักของแบบจำลอง – การแบ่งส่วนข้อบกพร่อง อัตราการเปิดใช้งานส่วน และสถานะความเครียด – เป็นที่รู้จักหรือควบคุมเป็นอย่างดี การแตกตามธรรมชาติสามารถบรรเทาได้อย่างน้อยหนึ่งหน่วย” ทีมงานพบว่าการลดพลังงานที่สะสมไว้ของรอยเลื่อนผ่านการกระตุ้นให้เกิดแผ่นดินไหวขนาดเล็กนั้นทำได้ก็ต่อเมื่อสถานะความเค้นของระบบต่ำเพียงพอในตอนเริ่มต้นที่ขอบเขตของรอยเลื่อนทั้งหมดจะไม่ถูกเปิดใช้งานอีกครั้ง

Credit : parkerhousewallace.com partyservicedallas.com pastorsermontv.com planosycapacetes.com platterivergolf.com