211service.com
Elektroactieve polymeren
In het Artificial Muscle Research Institute van de Universiteit van New Mexico hangt elektriciteit in de lucht. Wanneer laboratoriumdirecteur Mohsen Shahinpoor een kunstmatige hand van een polymeer-metaalcomposiet onder spanning zet, krullen zijn vingers tot een vuist. Snuffel rond in het laboratorium en je zult robotvissen zien zwemmen, vleugels klappen en armen optillen - allemaal hun spieren krijgen van elektrisch geactiveerde polymeren. Je hebt eerder robots gezien, maar er is iets anders aan de hand. Ze kijken in leven .
Sinds het begin van de jaren negentig hebben materiaalwetenschappers en ingenieurs elektroactieve polymeren ontwikkeld voor gebruik als sensoren, actuatoren en kunstmatige spieren. Een aangelegde spanning verandert de samenstelling of moleculaire structuur van het polymeer zodat het uitzet, samentrekt of buigt. De beweging is soepeler en levensechter dan beweging die wordt gegenereerd door mechanische apparaten: net als spieren zijn polymeren flexibel, niet gehinderd door de onhandige stijfheid van tandwielen en lagers. Wetenschappers zijn van mening dat met deze gelijkenis met natuurlijke beweging, elektroactieve polymeren een revolutie teweeg kunnen brengen in robotica en biomedische apparaten. Dergelijke materialen kunnen het mogelijk maken om robots te ontwerpen die met de gratie van een mens manoeuvreren, prothetische benen die bewegen en echt aanvoelen, en implanteerbare micro-afgiftesystemen die medicijnen soepel en stil naar de plaats pompen waar ze nodig zijn.
Dit verhaal maakte deel uit van ons nummer van december 2002
- Zie de rest van het probleem
- Abonneren
Tot voor kort gaven elektroactieve polymeren echter praktische problemen. Ze verbruikten te veel energie. Ze konden niet genoeg kracht genereren. En ze duurden niet lang genoeg. Maar onderzoekers in de academische wereld en de industrie hebben manieren gevonden om de polymeren sterker, robuuster en efficiënter te maken. Deze verbeteringen, zegt Yoseph Bar-Cohen, een senior onderzoekswetenschapper bij NASA's Jet Propulsion Laboratory en een van de pioniers in het veld, zullen een snellere implementatie van sciencefiction-ideeën in de technische realiteit mogelijk maken.
Afgelopen september, in een doorbraak die zou kunnen leiden tot medische apparaten met een lager vermogen, meldden Qiming Zhang en zijn collega's van de Pennsylvania State University dat ze een elektroactieve actuator hadden gemaakt die een tiende van de eerder benodigde spanning nodig heeft. De belangrijkste vooruitgang van Zhang: een polymeer-halfgeleidercomposiet dat meer elektrische waar voor zijn geld krijgt en zeer flexibel blijft. De voordelen van deze klasse apparaten zijn het hoge rendement en de snelle respons. Maar dit is nog maar het begin, zegt Zhang. Hij voorspelt dat farmaceutische producten die op deze technologie zijn gebaseerd, bijvoorbeeld kleine draagbare insulinepompjes die worden aangedreven door laagspanningsbatterijen, binnen vijf jaar beschikbaar zullen zijn.
Benjamin Mattes, CEO van Santa Fe Science and Technology, bouwt sterke, langdurige kunstmatige spieren uit geleidende polymeren die uitzetten en samentrekken als reactie op veranderingen in de stroom van ionen in de materialen. Deze elektroactieve polymeren genereren enorme krachten bij lage spanningen. Omdat chemische reacties het polymeer afbreken, waren eerdere versies traag en konden ze slechts een paar cycli overleven. Het nieuwste apparaat van Mattes breekt echter eerdere records op het gebied van snelheid en duurzaamheid. Zijn coaxiale structuur-kleine vezels die door een holle buis zijn geregen en zijn verzwolgen in vloeibaar elektrolyt, zorgen ervoor dat ionen snel in de vezels kunnen stromen als reactie op aangelegde spanning. Omdat hij een zeer stabiele en geleidende ionische vloeistof als elektrolyt gebruikt, zegt Mattes dat hij miljoenen cycli heeft bereikt zonder degradatie.
Dankzij dergelijke vorderingen in de materiaalwetenschap beginnen elektroactieve polymeren bruikbare biomedische apparaten op te leveren. Aan de Universiteit van New Mexico heeft Shahinpoor dunne, duurzame kunstmatige spieren aangetoond die vele malen hun eigen gewicht kunnen optillen. Shahinpoor gebruikt de materialen om implanteerbare hulpmiddelen te ontwikkelen, zoals een pomp die werkt als een mechanische pacemaker om het hart samen te drukken en een klein apparaatje dat het gezichtsvermogen corrigeert door zachtjes in de oogbal te knijpen. Zijn team commercialiseert de apparaten via een spin-off, Environmental Robots in Albuquerque, NM.
Er is echter nog veel werk aan de winkel voordat de technologie marktrijp zal zijn. Om succesvol te zijn, zegt Shahinpoor, moet het bedrijf ervoor zorgen dat de materialen compatibel zijn met levend weefsel en dat hun functies nauwkeurig kunnen worden gecontroleerd. Hij zal ook de productiekosten met een factor 10 moeten verlagen.
Hoewel de komende vijf jaar elektroactieve polymeren zouden moeten worden gebruikt als componenten in microchirurgische hulpmiddelen, medicijnafgiftesystemen en corrigerende hulpmiddelen, zijn dergelijke vorderingen misschien nog maar een begin. Om meer levensechte robots en prothetische apparaten te krijgen, zullen wetenschappers materialen moeten maken die slimmer en interactiever zijn. Binnen 10 jaar willen onderzoekers kunstmatige ledematen ontwikkelen die feedback geven aan de gebruiker, sierlijke autonome robots die worden aangedreven door spierachtige polymeren en zelfs pakken die de kracht en het uithoudingsvermogen van soldaten en reddingspersoneel vergroten. Als het onderzoek slaagt, kan robotica echt tot leven komen.