ساخت الیافی که همانند عضلات انسان عمل می‌کند

محققان الیاف کامپوزیتی مبتنی بر اکسید گرافن ساختند که می‌توان آن‌ها را به عنوان عضلات مصنوعی به‌کار گرفت. این الیاف سرعت پاسخ‌دهی بالا و دوام قابل توجهی دارند.

کد خبر: ۱۱۰۲۳۱۲

يکشنبه - ۱۶ مهر ۱۴۰۲ / October 08, 2023

به گزارش گروه دانشگاه خبرگزاری دانشجو، محققان الیاف کامپوزیتی مبتنی بر اکسید گرافن ساختند که می‌توان آن‌ها را به عنوان عضلات مصنوعی به‌کار گرفت. این الیاف سرعت پاسخ‌دهی بالا و دوام قابل توجهی دارند.

محققان دانشگاه پنسیلوانیا، الیاف کامپوزیتی را با ترکیب اکسید گرافن (GO) با پلیمر‌های انعطاف‌پذیر و رسانا ساخته‌اند که می‌تواند به قدرت مکانیکی، سختی و فعالیتی دست یابند که از عضلات موجودات زنده پیشی بگیرد.

این تیم ترکیبی از نانوذرات اکسید گرافن و پلی (۳،۴-etylenedioxythiophene) پلی استایرن سولفونات (PEDOT: PSS) را به صورت کامپوزیتی در آورند که در آن پلیمر انعطاف‌پذیر و رسانا بین نانوذرات تراز شده قرار می‌گیرد. علاوه بر این افزودن پلی اتیلن گلیکول (PEG)، چقرمگی و کشش را بهبود می‌دهد، در حالی که احیاء شیمیایی اکسید گرافن به اکسیدگرافن احیاء شده باعث افزایش هدایت الکتریکی می‌شود. سرانجام، این الیاف کامپوزیت با نخ‌های نایلونی ترکیب شدند تا یک عملگر کامپوزیتی سلسله مراتبی با قابلیت‌های بهتر از عضلات بیولوژیکی معمولی (ظرفیت کار ۷۵ J/کیلوگرم و چگالی قدرت ۹۲۴ W/kg) ایجاد شود.

شو یانگ گفت: «بیشتر عملگر‌های نرم، مبتنی بر پاسخگویی به گرما، نور، pH و آب هستند؛ بنابراین کارایی فعال‌سازی کم بوده و سرعت فعال‌سازی کند است. ما به حل پارادوکس در عملکرد فعال‌سازی و محدودیت‌های متمایز محرک‌های نرم پرداختیم.»

عملگر‌های تحریک شده، مانند آن‌هایی که مبتنی بر ورق‌های آئروژل حاوی نانولوله کربن (CNT) هستند، سریع پاسخ می‌دهند، اما این عملگر‌ها ساختار‌های شکننده داشته و به تجهیزات تخصصی برای ساخت نیاز دارند. در عوض، این تیم از مونتاژ ورق‌های اکسید گرافن در مرحله کریستال مایع لیوتروپیک (LLC) استفاده کرد.

یانگ توضیح می‌دهد: «ما لایه‌های اکسیدگرافن را به‌صورت فاز‌های منظم در آوریم و سپس آن‌ها را به صورت الیاف بافتیم. این نظم ساختاری در تعیین این که مورفولوژی الیاف به صورت زیگزاگی یا آجر و ملاتی باشد، نقش داد. این مورفولوژی در ارائه عملکرد مناسب عملگر نقش دارد. ما از طریق دافعه الکترواستاتیک میان ورق‌های اکسیدگرافن احیاء شده به فعال‌سازی سریع و قوی رسیدیم و همچنین توانستیم کارایی انرژی و دانسیته توان و قابلیت برداشتن وزنه را در ساختار الیاف افزایش دهیم.»

این عملگر‌های ساخته شده از فیبر کامپوزیتی به سرعت پاسخ می‌دهند (۸۰ میلی ثانیه) و به‌طور برگشت‌پذیر بیش از ۱۰،۰۰۰ چرخه را تحمل می‌کنند.

یانگ می‌گوید: «الیاف ما برای خم شدن خوب هستند، اما برای پیچاندن یا ایجاد گره مناسب نیستند. ما اکنون در حال بررسی هندسه و توپولوژی‌های مختلف و همچنین ترکیبات دیگر برای بهبود خاصیت خم شدن و پیچاندن این ساختار‌ها هستیم.»