Super Soldaten

Eind vorig jaar ging het Amerikaanse leger winkelen voor nieuwe uniformen. Het was niet geïnteresseerd in camouflage-jumpsuits en olijfkleurige kleding of zelfs in betere versies van de hightech-uitrusting die door de troepen in Afghanistan werd gedragen. Wat het leger wilde, was een lichtgewicht gevechtsuniform dat in staat was kogels en gifstoffen tegen te houden, de gezondheid van een soldaat in de gaten te houden, te communiceren met commandanten op afstand en zelfs bovenmenselijke kracht mogelijk te maken. Maar ondanks de extravagantie van die visie, en hoewel ze op zoek waren naar academische onderzoeksinstellingen voor hulp, maakten legerfunctionarissen een ander belangrijk verlangen duidelijk. Zoals MIT-materiaalwetenschapper Edwin Thomas zich herinnert, wilden ze niet alleen papieren binnen Wetenschap of Natuur . Ze wilden echt spul.

Echte dingen zijn precies wat MIT-onderzoekers afgelopen januari presenteerden aan een bezoekend legerteam. Mechanisch ingenieur Ian Hunter speelde een video af van een trillend stuk zwart lint - een uitzettende en samentrekkende kunstmatige spier die, in een gevechtsuniform, een tourniquet zou kunnen vormen of de beenkracht zou kunnen vergroten. Materiaalwetenschapper Yoel Fink toonde enkele glinsterende optische draden die in staat zijn om verschillende golflengten van licht met grote specificiteit te reflecteren en te absorberen - een eigenschap die kan worden benut voor infraroodcommunicatie op afstand, waardoor soldaten zich bijvoorbeeld 's nachts stilletjes aan bondgenoten kunnen identificeren. Faculteitsleden legden de werking uit van een microscopische sensor die MIT-chemicus Tim Swager had gebouwd, slechts een paar moleculen breed, die de adem van een soldaat kon ruiken op chemische tekenen van stress.

Dit verhaal maakte deel uit van ons nummer van oktober 2002

• Zie de rest van het nummer
• Abonneren

Kracht

Een hoofddoel van het nieuwe instituut is het creëren van een gevechtsuniform met ingebouwde kracht - de kracht om een ​​soldaat te helpen zware voorwerpen op te tillen, koelvloeistoffen door ingebedde kanalen te pompen of rond een bloedende wond te verstijven. Hunter's trillende zwarte lint is een vroege indicatie dat nanomaterialen dat soort kracht zouden kunnen leveren.

Het lint is gemaakt van een elektroactief polymeer dat kan bewegen of van vorm veranderen als reactie op een elektrisch signaal. Onderzoekers hebben lang overwogen om deze polymeren - die 100 keer sterker kunnen zijn dan menselijke spieren - als kunstmatige spieren te gebruiken. Maar tot nu toe zijn ze onpraktisch gebleken als spierachtige machines, grotendeels omdat hun bewegingen relatief traag zijn en ook omdat ze slechts een paar procent van hun lengte konden samentrekken of uitzetten. Menselijke spieren kunnen met 20 procent samentrekken en uitzetten.

In de laboratoria van Hunter en Swager hebben onderzoekers onlangs echter samengewerkt om grote vooruitgang te boeken in de richting van een materiaal met voldoende bewegingsbereik om bruikbaar te zijn. De sleutel is een reeks moleculen die werken als staven en scharnieren. Draaiend op de scharnieren stoten de staven elkaar af of trekken ze elkaar aan wanneer een lading wordt aangebracht of verwijderd. Door miljoenen van deze staven en scharnieren van begin tot eind te bevestigen, zoals segmenten van een duimstok, konden de onderzoekers polymeren maken die langer en korter werden als reactie op elektrische prikkels. (zie Moleculaire spier, hieronder) . Een film gemaakt van deze polymeren produceert spierachtige bewegingen. Volgens Hunter hebben we de afgelopen maanden het bewegingsbereik verdubbeld en dat van menselijke spiercellen benaderd.

Moleculaire spier

Een polymeer dat net zoveel samentrekt en uitzet als menselijke spieren, maakt gebruik van moleculaire scharnieren en staven. De staven stoten elkaar af en trekken elkaar aan wanneer een lading wordt aangebracht (boven) en verwijderd (onder). (Illustratie door John MacNeill)

Die toename in hoeveel het polymeer kan uitzetten en samentrekken, gecombineerd met zijn indrukwekkende kracht - die de onderzoekers nog niet hebben gemeten, maar voorspellen tien keer die van menselijke spieren te zijn - zou mogelijk een gevechtsuniform kunnen maken dat is ingebed met 1,4 kilogram van het materiaal 80 kilogram op één meter hoogte tillen. Met andere woorden, een soldaat zou moeiteloos een zwaar werktuig of zelfs een gevallen kameraad kunnen hijsen. Het probleem: dit zou minstens een minuut duren, zegt John Madden, een elektrotechnisch ingenieur aan de University of British Columbia in Vancouver, die tot voor kort leiding gaf aan het onderzoek naar elektroactieve polymeren in het laboratorium van Hunter.

Deze elektroactieve polymeren bruikbare snelheid geven, is de volgende hindernis. Het vereist een bezuiniging op de elektrische weerstand van het materiaal, zodat een aangebrachte lading zijn werk sneller kan doen. De onderzoekers zijn van plan de weerstand te verminderen door koolstofnanobuisjes -lange, pijpachtige moleculen- in toekomstige generaties van de materialen op te nemen. Bepaalde versies van koolstofnanobuisjes zijn uitstekende elektrische geleiders die veel sneller lading door het materiaal kunnen brengen. De groepen Hunter en Swager hopen over vijf jaar kunstmatige spieren te maken die zo snel zijn als menselijke spieren.

Het integreren van het spiermateriaal met de rest van het soldatenpak is de grotere uitdaging. De elektroactieve polymeren moeten bijvoorbeeld worden aangesloten op een stroomdistributie- en signaleringssysteem; conventionele bedrading is gewoon te stijf om een ​​trillend, buigend materiaal aan te sluiten. Daarom hebben Hunter en zijn collega's het afgelopen jaar lintachtige draden ontwikkeld die zijn gemaakt van flexibele elektrisch geleidende polymeren. In plaats van stijve koperdraden die in polymeerweefsel gaan, zullen we weefselachtige draden in weefsel hebben, zegt Hunter.

Communicatie

Er zijn andere technologieën nodig om het pak te laten communiceren met de buitenwereld. Eerder dit jaar kondigde MIT's Fink de ontwikkeling aan van gecoate polymeerdraden die misschien iets voor jou zijn, waardoor stille communicatie met verre bondgenoten of commandanten mogelijk wordt door het gebruik van zichtbaar of infrarood licht.

De draden van Fink zijn in staat om verschillende golflengten van licht selectief te reflecteren of te absorberen, dankzij hun coating, die talrijke ultradunne lagen van twee transparante materialen bevat, de ene organisch en de andere anorganisch. De twee materialen vertragen het licht met verschillende snelheden. In de resulterende oproer van reflecties binnen die lagen, worden sommige golflengten sterk terug uit de vezel gereflecteerd, en andere worden opgeheven. Welke golflengten precies worden gereflecteerd, hangt af van de dikte van de lagen, die kan variëren van 100 tot 1.000 nanometer en nauwkeurig kan worden gecontroleerd.

Terwijl de meeste fotonica-onderzoekers werken aan chips en andere gadgets voor optische telecommunicatie, is de groep van Fink de eerste die een fotonische draad bouwt waarvan textiel kan worden gemaakt, zegt Eli Yablonovitch, een elektrotechnisch ingenieur aan de Universiteit van Californië, Los Angeles, en een pionier in optische materialen. Een mogelijk gebruik voor deze draden: een deel van een gevechtsuniform dat sterk een specifieke signatuur van infrarood omgevingslicht reflecteert. Tijdens de verwarring van een nachtelijk vuurgevecht bijvoorbeeld, zou zo'n optische streepjescode een soldaat kunnen identificeren als vriend van medetroepen die zijn uitgerust met een nachtkijker die is afgestemd op het juiste gereflecteerde licht. En het team van Fink zou ook graag een manier bedenken om deze materialen on-the-fly af te stemmen, zodat de golflengte elektrisch (en op afstand) kan worden veranderd als een vijand een uniform in handen krijgt.

Dit vormt een bijzondere uitdaging, zegt Yablonovitch. Er zijn veel oplossingen. Alleen geen goede. Ze hebben hun best gedaan om het voor het leger praktisch te maken, zegt hij.

Voorlopig gaat de groep van Fink door met verschillende benaderingen om de optische vezels afstembaar te maken. Een strategie is het creëren van een soort rek dat de vezels strak kan trekken. De spanning zou de lagen dunner maken en de gereflecteerde golflengte veranderen (zie Fijnafstemming hieronder) . Een tweede benadering maakt gebruik van het feit dat een van de materialen in de lagen - arseentriselenide - het licht met een andere snelheid vertraagt ​​in de aanwezigheid van een elektrisch veld; verander het veld en je verandert de reflectie van de hele vezel. Deze benaderingen, zegt Fink, zouden binnen twee jaar een afstembare vezel kunnen produceren.

Scherpstellen

Een dwarsdoorsnede toont de buitenste lagen van optische materialen die een polymeerdraad bekleden. De dikte van de lagen bepaalt hoe licht wordt gereflecteerd.

Voordat: Als de golflengte afwijkt van de dikte van de lagen, kan het licht erdoorheen.

Na: Door de draad uit te rekken, kunnen de lagen dunner worden, zodat hun breedte overeenkomt met de rode golflengte. Op elke grens tussen lagen zou wat rood licht worden gereflecteerd (gebroken lijn), en een deel zou doorgaan.

Bescherming

Natuurlijk is de overkoepelende taak van het uniform om de soldaat te beschermen, en het vermogen om van het gevaar af te springen of om zichzelf stil aan bondgenoten aan te kondigen, zou dat indirect doen. Maar de visie van het leger is van een pak dat ook directe bescherming zou bieden tegen alles, van kogels tot miltvuur. Verbeterde ballistische bescherming is op dit moment grotendeels theoretisch, maar er zijn al enkele zeer reële instrumenten tegen biologische en chemische aanvallen beschikbaar.

Een dergelijke technologie is gebaseerd op sterk vertakte polymeermoleculen die dendrimeren worden genoemd. Door de uiteinden van de takken van een dendrimeer zo aan te passen dat ze allemaal aan een gevaarlijke molecule blijven kleven en deze onschadelijk maken, hebben legeronderzoekers al een beschermende stof gecreëerd met een groot absorptievermogen voor zijn gewicht. Maar tot nu toe hebben ze de stof alleen kunnen gebruiken door het in een sunblock-achtige crème te mengen. Het probleem met het toevoegen van deze technologie aan een soldatenpak is dat dendrimeren niet gemakkelijk aan elkaar kleven en dus moeilijk te vormen zijn tot een stabiel materiaal dat bestand is tegen misbruik van een slagveld en een wasmachine.

Om een ​​robuuster materiaal te maken, ontwierp MIT chemisch ingenieur Paula Hammond dendrimeren met staarten. Deze staarten, die meerdere keren langer zijn dan de takken van de dendrimeren, hebben de neiging om met elkaar in de knoop te raken, waardoor de moleculen aan elkaar blijven zitten zonder de takken te belemmeren hun werk te doen. Het is als een uitgebreid wortelstelsel voor een bos van moleculaire bomen, en het zou de verankerde dendrimeren in staat kunnen stellen een taaie beschermende film te maken. Deze technologieën zijn nu pas in opkomst. We kunnen ze meenemen en beginnen te verwerken in stoffen en coatings, zegt Hammond.

MIT-onderzoekers werken ook aan technologieën die kunnen helpen de gezondheid van een soldaat op afstand te bewaken, ongeacht de gevaren die hij of zij kan tegenkomen. Ingebouwde sensoren die bijvoorbeeld veranderingen in de lichaamschemie detecteren, kunnen helpen bepalen of een gesneuvelde soldaat ernstig gewond is of kan wachten op hulp. Dergelijke sensoren zouden extreem gevoelig moeten zijn, maar ook robuust en eenvoudig te bedienen.

En Swager heeft een goede eerste stap gezet. Met behulp van speciaal ontworpen polymeren als detector heeft Swager onlangs een apparaat ontwikkeld om concentraties van stikstofmonoxide te detecteren, een chemische stof die aanwezig is in de menselijke adem. Stikstofmonoxide piekt wanneer het lichaam gestrest is (zie Sensing Health, hieronder) . Op zichzelf genomen vertelt een stikstofmonoxidemeting misschien niet het hele verhaal, maar de sensor is een eerste element dat een rol kan spelen bij het beoordelen van de fysiologische toestand van de soldaat, zegt Swager.

Gezondheid voelen

Een sensor die een elektrisch geleidend polymeer gebruikt, kan stikstofmonoxideconcentraties in de adem van een soldaat direct detecteren. Kobaltatomen in het polymeer binden en geven stikstofmonoxidemoleculen af, waardoor fluctuaties in de weerstand van het polymeer, dat tussen elektroden ligt, ontstaan. (Illustratie door John MacNeill)

De stikstofmonoxidedetector maakt gebruik van nanoscopische polymeerdraden die elektriciteit kunnen geleiden. Wanneer stikstofmonoxide aan het polymeer bindt, veroorzaakt het een verandering in elektrische weerstand die gemakkelijk kan worden gedetecteerd. Bovendien vallen de stikstofmonoxidemoleculen snel van de sensor, waardoor het apparaat continu de concentratie van de chemische stof kan meten.

Hoewel het vandaag slechts een prototype is, zou het apparaat van Swager uiteindelijk kunnen worden verwerkt in een masker of de stof van een soldatenpak om andere chemicaliën te detecteren, zoals koolwaterstoffen en ketonen, die indicatoren kunnen zijn voor stress of ziekte, of om biologische en chemische agentia te detecteren.

integratie

Zelfs terwijl Swager en de andere onderzoekers in het instituut zulke nieuwe materialen en apparaten blijven produceren, denken ze al na over wat uiteindelijk hun grootste uitdaging zal zijn: al hun uitvindingen laten samenwerken in een in massa produceerbaar pak. Het wordt een systeem- en integratieprobleem dat we nog nooit eerder hebben gezien, zegt Swager.

Dat is waar DuPont zou kunnen helpen. Het bedrijf heeft tientallen jaren ervaring met het ontwikkelen van ultrasterke materialen als Kevlar, dat wordt gebruikt voor kogelvrije vesten. Nu zal het helpen bij het creëren van nieuwe processen voor het integreren van verschillende nanomaterialen in één textiel. Eén probleem: niet alle polymeren zijn compatibel. Ze zijn niet hetzelfde en gedragen zich niet hetzelfde, zegt Wayne Marsh, onderzoeksmanager bij DuPont Central Research and Development in Wilmington, DE. Sommige zijn heel anders gemaakt; hetzelfde proces zou het ene polymeer kunnen afbreken terwijl het een ander vormt. Om deze verschillen te verzoenen, moet de chemie van de polymeren worden aangepast of coatings worden toegevoegd om ze tegen elkaar te beschermen. Al met al is dit echt edge-ding, zegt Thomas. Het is net als Jack Kilby van Texas Instruments in het begin van de jaren vijftig, die erover dacht om slechts tientallen of honderden transistors op een enkele siliciumchip te maken. Je moet zeggen: hoe zouden we dat doen?'

Legerleiders en de civiele medische gemeenschap hebben goede hoop dat Thomas en zijn MIT-collega's het antwoord zullen vinden en niet alleen zullen uitzoeken hoe nieuwe materialen en apparaten kunnen worden geperfectioneerd, maar ook hoe ze samen kunnen worden geweven met revolutionaire resultaten. Maar ze zijn realistisch. Ik weet niet of dit alles zal opleveren wat ik wil, wanneer ik het wil, en tegen een betaalbare prijs, zegt Andrews van het leger.

Het nieuwe instituut zal zeker niet binnen vijf jaar het volledig geïntegreerde gevechtsuniform produceren. In plaats daarvan betekent succes op die tijdschaal een veel lichter kogelwerend vest of robuust optisch materiaal voor vriend of vijand, zegt Thomas. Een maatstaf voor succes zal zijn als we de aandacht en het vertrouwen van legermensen hebben gekregen om te geloven in het gebruik van nanotechnologie voor de individuele soldaat, zegt hij. Groot succes zal zijn als we daadwerkelijk iets tastbaars in de handen van een soldaat leggen. Het zal niet gemakkelijk zijn. Maar gezien de voorsprong van het instituut op het gebied van materiaalontwikkeling, heeft het Amerikaanse leger op zijn minst een vechtkans om het uniform te krijgen dat het zoekt.

zich verstoppen