یک تیم بین‌المللی از محققان به سرپرستی ری بوگمن از دانشگاه تگزاس در دالاس، ماهیچه مصنوعی جدیدی ساخته‌اند. این ماهیچه از نانو‌لوله‌های کربنی به‌ هم‌ پیچیده ساخته شده که درون آن با موم پر شده است. ساختار متحرک جدید با نمونه‌های قبلی متفاوت است از این لحاظ که در دستگاه جدید نیازی به الکترولیت خارجی برای عملکرد آن نیست. این ماهیچه‌ها می‌توانند بیش از 100,000 برابر وزنشان را بلند کنند، می‌توانند بسیار سریع منقبض و منبسط شوند. هم‌چنین در گستره دمایی وسیعی کار می‌کنند. چنین ویژگی‌هایی می‌تواند آن‌ها را برای استفاده در طیف وسیعی از کاربردها در آینده مانند روبات‌های انسان‌نما، منسوجات هوشمند و موتورهای دوار پیشرفته ایده‌آل کند.

پیچش یک بافت نانو

این تیم ماهیچه‌های مصنوعی را در ابتدا با رشد انبوه نانو‌لوله‌های کربنی به طور عمودی ساخت. آن‌ها استوانه‌های تو‌خالی از ورقه‌های کربنی نورد شده با دیواره‌هایی به ضخامت یک اتم ساختند. محققان سپس گروهی از این لوله‌های نانو‌کربنی را به شکل یک ورق نازک درآوردند و این ورقه را طوری پیچاندند که یک بافت از نانو‌لوله‌های کربنی به صورت به هم تنیده و مارپیچ به وجود آید. سپس به بافت، موم پارافین مذاب تزریق کردند.

پایان هر بافت به منبع تغذیه متصل شده است. زمانی‌که ولتاژ اعمال می‌شود، موم گرم شده و گسترش می‌یابد. فشاری که متعاقباً به وسیله این گسترش ایجاد شده، باعث انقباض و باز شدن نسبی بافت می‌شود. در نتیجه یک حرکت دوار به وجود می‌آید مشابه آنچه‌که هنگام کشیده شدن یک فنر مارپیچی دیده می‌شود. زمانی که موم خنک می‌شود، بافت در جهت مخالف می‌چرخد. نانو‌لوله‌های کربنی برای ساخت چنین بافت‌هایی ایده‌آل هستند. ورقه‌ها تقریباً هم‌وزن هوا هستند. چگالی آن‌ها حدود 1.5 mg/cm^3 است اما با مقاومت ویژه‌ای که به MPacm^3/g 560 می‌تواند برسد، محکم‌تر از فولاد هستند.

طراحی ساده

طبق توضیحات بوگمن طراحی‌های ماهیچه‌های مصنوعی قبلی به روشی مشابه کار می‌کند اما آن‌ها بر اساس نانو‌لوله‌هایی هستند که در الکترولیت مایع فرو برده شده‌اند. استفاده از موم به طور موثر نیاز به چنین مایع خارجی رسانایی را برطرف می‌کند. بنابراین طراحی ماهیچه تا حد زیادی ساده می‌شود.

او می‌افزاید: «پیچش بافت می‌تواند به بازوی متصل شده به دستگاه، چرخشی با سرعت 11,500 دور بر دقیقه بدهد. این بافت می‌تواند 100,000 برابر وزنش را بلند کند و نیز می‌تواند 85 برابر توان مکانیکی که یک ماهیچه طبیعی با همان اندازه، هنگام انقباض به وجود می‌آورد، تولید کند.این معادل این است که می‌تواند 200 برابر وزنه‌ای که یک ماهیچه طبیعی با همان قطر بلند می‌کند، بردارد.»

حتی بدون موم

مارپیچ بودن بافت نانو‌لوله ضریب انبساط حرارتی آن را 10 برابر افزایش می‌دهد حتی بدون اینکه از موم پر شود. این انبساط گرمایی منفی است به این معنی که بافت پر‌نشده زمانی که حرارت ببیند، منقبض می‌شود. در واقع گرما دان به بافت در دمای اتاق و فشار یک اتمسفر تا حدود 2500C (دمایی بسیار بالاتر از دمای ذوب فولاد)، بیش از 7٪ انقباض هنگام بلند کردن بارهای سنگین تولید می‌کند، چیزی که پیش از این هرگز برای چنین محرک‌هایی دیده نشده است.

به گفته محققان، انبساط گرمایی بالا برای این بافت به این معناست که می‌تواند برای استفاده در منسوجات هوشمند بکار رود و نیز بین دمای 50C- تا 2500C   عمل کند. چنین منسوجاتی می‌توانند مطابق با نیاز استفاده‌کنندگان باشند. به عنوان مثال در شرایط سرد حفاظت لازم را فراهم کنند. با در نظر گرفتن این ایده یک گام به جلو جهت ترکیب ماهیچه‌های بافتی با پوشاک ورزشی و یا شاید لباس آتش‌نشانی برداشته شده باشد. ماهیچه‌های مصنوعی هم‌چنین می‌توانند در مدارهای میکرو‌سیالی به عنوان پمپ و سوپاپ تنظیم بکار روند و یا در کاربردهای جدیدی به عنوان پرده پنجره که در پاسخ به تغییر دمای محیط باز و بسته می‌شود، استفاده گردند. کاربردهای ممکن دیگری نیز می‌تواند در زمینه ابزار جراحی با حداقل تهاجم، لنز زوم دوربین عکاسی، روبات‌های انسان‌نما، پروتزها و محافظ‌ها داشته باشد.

امکان تجاری سازی زود‌هنگام

چنین کاربردهایی ممکن است دیگر رویایی دور‌دست نباشد. زیرا پژوهشگران موفق به تولید این بافت‌ها با ابعاد کیلومتر شده‌اند. بوگمن می‌گوید: «اینکه محرک‌های کوچک تنها نیاز به ابعاد سانتی‌متری این بافت‌ها دارند، نشان می‌دهد که تجاری سازی زود‌هنگام این ماده مشکلی را به همراه نخواهد داشت. آنچه که دشوار است، این است که محرک‌های بافتی منفرد را به نمونه‌های بزرگتری ارتقا دهیم به گونه‌ای که صدها یا هزاران محرک منفرد به طور همزمان عمل کنند.»

این تیم که متشکل از دانشمندانی از استرالیا، کره جنوبی، چین،کانادا و برزیل است، اکنون مشغول نشان دادن کاربردهای جدیدی برای ماهیچه‌های بافتی منفرد است. و همچنین در تلاش است تا اندازه ماهیچه‌ها را ارتقا داده به گونه‌ای که قابل مقایسه با آرایه‌های فیبری، مانند آنچه‌که در ماهیچه اسکلتی طبیعی وجودارد، شود.

منبع: http://physicsworld.com/cws/article/news/2012/nov/16/nanotube-yarn-flexes-its-muscles