در رباتیک، پروتز و سایر کاربردهای مهندسی عملگرهایی (actuators) بکار می‌رود که از انقباض ماهیچه‌های حیوانات تقلید میکنند. با این حال، شبیه‌سازی سرعت و کارآیی فیبرهای عضلانی طبیعی کار دشواری است. برخلاف پیشرفت‌های جدید در فناوری عملگرها، عضلات مصنوعی یا بسیار بزرگ، بسیار کند یا بسیار ضعیف هستند.
به تازگی، گروهی از مهندسان دانشگاه کالیفرنیا سن‌دیه‌گو (UCSD) میکرو فیبر مصنوعی جدیدی از الاستومر کریستال مایع (LCE) ساخته‌اند که قدرت کشش، واکنش سریع و چگالی بالای قدرت عضلات انسان را تکرار می‌کند. Qiguang He، نخستین نویسنده این مقاله‌ی پژوهشی می‌گوید: «این پلیمر [LCE] یک ماده نرم و بسیار کشسان است. اگر از محرک‌های خارجی مانند نور یا گرما استفاده کنیم، این مواد در یک جهت منقبض می‌شوند».
واکنش سریع عملگرها
اگرچه عملگرهای نرم مبتنی بر LCE رایج هستند و می‌توانند فشار بسیار خوبی را ایجاد کنند، بین ۵۰ تا ۸۰ درصد، اما زمان پاسخ آنها معمولاً بسیار بسیار کند است. ساده‌ترین راه برای ایجاد واکنش سریع فیبرها، کاهش قطر آنها بود. پژوهشگران دانشگاه کالیفرنیا سن‌دیه‌گو برای انجام این کار از روشی به نام الکتروریسی (electrospinning) استفاده کردند که شامل بیرون راندن محلول پلیمری از طریق سرنگ یا اسپینرت تحت ولتاژ بالا برای تولید فیبر بسیار ریز است. الکتروریسی برای ساخت مواد در مقیاس کوچک و تولید میکروفیبر با قطر ۱۰ تا ۱۰۰ میکرومتر استفاده می‌شود. این روش به دلیل توانایی در ایجاد الیاف با ساختارهای مختلف مورد علاقه است و به طور معمول در زمینه‌های مختلف پژوهشی و تجاری مورد استفاده قرار می‌گیرد.
میکروفیبرهای ساخته شده توسط پژوهشگران دانشگاه کالیفرنیا ۴۰ تا ۵۰ میکرومتر اندازه دارند؛ به اندازه عرض موی انسان و بسیار کوچکتر از فیبرهای الاستومر کریستال مایع (LCE) موجود. Qiguang He می‌گوید: «ما نخستین افرادی نیستیم که از این روش برای ساخت فیبرهای الاستومر کریستال مایع استفاده می‌کنیم، اما نخستین افرادی هستیم که این فیبر را فشرده‌تر می‌کنیم. ما شیوه کنترل عملگرها و اندازه‌گیری عملکرد آنها را نشان می‌دهیم».
شیوه کار
پژوهشگران برای اثبات کارآیی روش خود، با استفاده از فیبرهای LCE خود، سه دستگاه میکرو رباتیک مختلف ساختند. عملگرهای آنها را می‌توان از نظر حرارتی و یا با استفاده از لیزر مادون قرمز نزدیک کنترل کرد. هنگامی که مواد LCE در دمای اتاق قرار دارند، در یک مرحله نماتیک قرار دارند: در این حالت کریستال‌های مایع به طور تصادفی واقع شده‌اند و همه‌ی محورهای طولی آنها در یک جهت هستند. وقتی درجه حرارت افزایش می‌یابد، مواد به مرحله‌ای منتقل می‌شوند که ایزوتروپیک نام دارد و در آن مواد در همه جهات یکنواخت و منجر به انقباض فیبر می‌شوند.
نتایج نشان داد فشار تا ۶۰ درصد، که یک فیبر ۱۰ سانتی‌متری تا ۴ سانتی‌متر منقبض می‌شود، با سرعت پاسخ کمتر از ۰٫۲ ثانیه و چگالی توان ۴۰۰ وات بر کیلوگرم است. این نتایج با تارهای عضلانی انسان قابل مقایسه است.
به گفته پژوهشگران، یک عملگر نرم با کنترل الکتریکی، امکان ادغام آسان با دستگاه‌های الکترونیکی کم هزینه را فراهم می‌کند؛ این برای سامانه‌ها و دستگاه‌های میکرورباتیک مزیت محسوب می‌شود. الکتروریسی نیز یک روش ساخت بسیار کارآمد است: شما می‌توانید ۱۰ هزار فیبر را در ۱۵ دقیقه تولید کنید.
چالش ها
با این حال، چالش‌هایی وجود دارد که باید برطرف شود. هنگامی که از گرما یا نور به عنوان محرک میکرو فیبر LCE استفاده می‌شود، بهره‌وری انرژی بسیار اندک است، کمتر از ۱ درصد. بنابراین، در کارهای آینده، باید فعال‌سازی را به شیوه‌ای کارآمدتر انجام داد.
یک محدودیت دیگر این است که انتقال فاز نماتیک به ایزوتروپیک در مواد LCE در دمای بسیار بالا، بیش از ۹۰ درجه سانتیگراد انجام می‌شود. در نتیجه نمی‌توانیم فیبر را مستقیماً در بدن انسان که ۳۵ درجه دما دارد قرار دهیم. یکی از راهکارهای این مسئله ممکن است استفاده از نوع دیگری از کریستال مایع باشد. در حال حاضر از RM ۲۵۷ به عنوان کریستال مایع استفاده می‌شود. می‌توانیم آن را به نوعی دیگر برای کاهش دمای گذر فاز تغییر دهیم.
با این حال، Qiguang He نسبت به امکان گسترش این پژوهش‌ها در عملگرهای میکروفیبر LCE خوشبین است. «ما همچنین نشان داده‌ایم که می‌توان چندین فیبر LCE را برای افزایش خروجی نیرو به طور موازی مرتب و آنها را به طور همزمان فعال کنیم. در آینده ما سعی خواهیم کرد این فیبرهای عضلانی را به بافت‌های زیست پزشکی متصل کنیم».
بیشتر بخوانیم:
>> ساخت ماهیچه های پلاستیکی با توانایی بلند کردن ۵۰۰۰ برابر وزن خود
منبع: spectrum.ieee
«استفاده و بازنشر مطالب تنها با ذکر لینک منبع و نام (مجله فناوریهای توان افزا و پوشیدنی) مجاز است»
