علماء يطورون عضلات اصطناعية نانوية أقوى 40 مرة من «البشرية»

على مدار ال15 عامًا الماضية، عمل الباحثون في عدد من الجامعات حول العالم على تطوير وابتكار أنواع مختلفة من العضلات الاصطناعية القوية باستخدام مواد مختلفة تراوحت ما بين أنابيب الكربون النانوية عالية التقنية وصولا إلى خيوط الصيد العادية، وبالعمل على لي هذه المواد لتصبح ملفوفة؛ أنتج الباحثون عضلات قادرة على التمدد بواسطة التسخين والانكماش بالتبريد.
ومؤخرا، طور فريق دولي من المهندسين في جامعة "ولونجونج" الأسترالية، وجامعة "تكساس" بولاية دالاس الأمريكية، وجامعة "دونج هوا" الصينية، وجامعة "هانيانج" بكوريا الجنوبية، عضلات اصطناعية أقوى وأكثر مرونة يمكنها توليد قوة أكثر من العضلات البشرية ب40 مرة.
وبحسب موقع "Phys.Org" العلمي، أوضحت دراسة نشرتها مجلة "ساينس" العلمية، الجمعة، أن المهندسين طوروا العضلات باستخدام غلاف من مادة البوليمر يحيط بأنواع من الخيوط الرخيصة وغير المكلفة، يمتص الطاقة ويقوم بتحفيز الخيوط في الداخل.
ولتكوين العضلات الجديدة، استعمل فريق البحث طلاء بوليمر على خيوط أنابيب الكربون النانوية "CNT" الملتوية، بالإضافة إلى خيوط النايلون والحرير والخيزران غير المكلفة، مما ساعد على إحاطة نواة الغزل بما يشبه الغلاف أو الغمد.
ويقول الدكتور راي بوغمان، رئيس مؤسسة "روبرت أ. ولش" للكيمياء: "في عضلاتنا الجديدة، نجد أن الغمد حول الغزل الملفوف أو الملتوي هو الذي يدفع الحركة ويؤدي إلى زيادة كثافة العمل لكل دورة وكثافة القدرة مقارنة بعضلاتنا السابقة".
ويضيف بوغمان أنه يمكن استخدام العديد من المواد للغمد، بشرط أن تكون قوية ومرنة بالقدر الكاف لتستطيع تغيير أبعادها في ظل المتغيرات المختلفة المحيطة بها، مثل التغيرات في درجة الحرارة والرطوبة.
وتستطيع العضلات الجديدة المكونة من غمد من أنابيب الكربون النانوية "CNT"، وقلب من النايلون أن تولد خلال إجراء العملية الكهروكيميائية، قوة تقلص يبلغ متوسطها 40 ضعف العضلات الطبيعية للإنسان، و9 أضعاف العضلات الكهروكيميائية البديلة ذات القدرة العالية.
ويتابع بوغمان: "في تجاربنا السابقة، صنعت خيوط أنابيب الكربون النانوية خفيفة الوزن عضلاتٍ صناعية رائعة، وكانت وما زالت أقوى من العضلات البشرية التي لها نفس الطول والوزن، لكن غزل أنابيب الكربون النانوية باهظ الثمن، لذلك حاولنا في تجربتنا الجديدة السير في اتجاه مختلف، حيث أثبتنا أنه بالإمكان استبدال خيوط (CNT) بخيوط غير مكلفة ومتاحة تجاريًا"، مضيفا أنه يمكن بسهولة توسيع عملية طلاء البوليمر للإنتاج التجاري.
ويشير بوغمان إلى أنه "نظرًا لأن تقنية العضلات اصطناعية الجديدة التي يحفزها الغمد (SRAM) تمكنت من استبدال خيوط أنابيب الكربون النانوية بخيوط أرخص، فقد تكون هذه العضلات جذابة جدًا للهياكل الذكية، مثل الروبوتات، وملابس ضبط راحة الجسم".
ويوضح الدكتور جيوكي مو، المؤلف الرئيسي للدراسة والباحث في معهد "NanoTech"، الذي طور لأول مرة مفهوم العضلات الاصطناعية التي يحفزها الغمد: "في عضلاتنا السابقة الملتوية والملفوفة، استخدمنا الطاقة الحرارية على العضلات بأكملها، لكن الجزء الخارجي الملتوي من الألياف كان يقوم فقط بعمل ميكانيكي، والجزء المركزي كان يفعل القليل، أما باستخدام الغمد، يمكن تحويل الطاقة المدخلة إلى ميكانيكية العضلة بسرعة وكفاءة أكبر، فلماذا تستهلك الطاقة في تسخين الغزل كاملا، عندما لا تحتاج إلا تسخين الجزء الخارجي فقط حتى يعمل؟ في عضلاتنا الجديدة، علينا فقط أن نضع الطاقة في غمد".
ولمحاولة إثبات أن التقنية الجديدة يمكن استخدامها في التطبيقات الاستهلاكية، قام الباحثون بحياكة العضلات الجديدة "SRAMs"، في نسيج تقوم التقنية بزيادة مساميته عن التعرض للرطوبة. أيضا قام الباحثون بإظهار أن العضلات المصنوعة من خيوط النايلون المغلفة بالبوليمر، والتي تتقلص خطيًا عندما تتعرض لزيادة تركيز الجلوكوز، يمكن استخدامها في أغراض طبية مثل الضغط على حقيبة لإطلاق الدواء فوريا لمواجهة ارتفاع السكر في الدم.
https://phys.org/news/2019-07-sheaths-powerful-artificial-muscles.html