العضلات الاصطناعية و محركات البوليمير

تعدنا العضلات الاصطناعية بالكثير في عالم المحاكاة الحيوية ابتداءاً من قابلية صناعة ما يشابه زعانف السمك من أجل العربات المائية وصولاً إلى الأجهزة الداعمة المستخدمة في إعادة تأهيل ذوي الاحتياجات الخاصة.

وتعتبر مُرَكّبات البولمير الأيونية محببة الاستخدام في هذا المجال بسبب بساطتها الشديدة. فكل ما علينا فعله هو أن نصل قطبين كهربائيين (الكترودين) إلى البولمير ومن ثم نطبق جهداً كهربائياً بينهما فتنتقل الأيونات مسببةً تغيراً في شكل البولمير. ويعرف عن محركات البولمير "Polymer Actuator" بأنها من النوع الذي ينشط بالكهرباء بحيث يتغير حجمها وشكلها عندما يتم تحفيزها بحقل كهربائي، لذلك تستخدم في صناعة العضلات الاصطناعية ويتم استثمار هذه الميزات على نطاق واسع في التطبيقات العملية مثل الروبوتات المستوحاة حيوياً والحساسات والأجهزة الطبية.

وكما هو موضح في الصورة تتكون محركات مركبات (بولمير-معدن) الأيونية من غشاء جزيئي يمتد بين الكترودين معدنيين. وعند تطبيق حقل كهربائي على المحرك تحدث هجرة وإعادة توزيع للأيونات مما يؤدي إلى انثناء بنيتها.

وتتميز هذه المحركات باستهلاك قليل للطاقة فضلاً عن قدرتها على الانثناء تحت جهد مخفض لمحاكاة الحركات التي تحدث في البيئة الطبيعية.

إلا أن هناك عيباً رئيسياً في هذه المحركات وهو عدم قدرتها على الاستمرارية في العمل عند تعرضها للهواء والتيار الكهربائي لفترة طويلة وذلك بسبب تسريب الالكتروليت (المحلول الكهربائي) الداخلي والشوارد الموجبة وتسريب الأيونات عبر التشققات التي تظهر في الالكترودات المعدنية التي تبدأ بالتصدع بعد فترة من الزمن.

و تعتبر زيادة استمرارية عمل محركات مركبات بولمير-معدن الأيونية تحدياً رئيسياً في مجال العضلات الاصطناعية. ولازال الباحثون يحاولون اكتشاف طرق جديدة لتطوير الكترودات مرنة وعالية المردودية والناقلية ومقاومة للتشقق بحيث يمكن استخدام هذه الالكترودات لبناء محرك بولمير يتمتع بالمتانة حتى قام علماء في المعهد المتقدم للعلوم والتكنولوجيا الكوري (KAIST ) بإيجاد الحل لهذه المشكلة وذلك عبر اللجوء إلى استخدام مادة الغرافين.

ففي بحث منشور في مجلة " ASC Nano" قام فريق (KAIST ) بصناعة الكترودات من نسخة عالية المردودية من الغرافين تدعى "ورقة أكسيد الغرافين المرجع ذو الخواص الكارهة للماء والمخطوط بالليزر بشكل لاتناظري" (HLrGOP).

ونتيجة لذلك قام العلماء بتطوير عضلات اصطناعية ذات استمرارية عالية من بولمير أيوني قابل للطفو على المياه باستخدام هذا النوع من الغرافين .

وبالإضافة للاستمرارية والمتانة يعتبر هذا النوع من الغرافين (HLrGOP) كارهاً للماء الأمر الذي يجعله فعالاً في هذا التطبيق.

وتتمتع الكترودات الغرافين بالناقلية والمرونة و المردودية العالية وتمتلك سطحا خارجيا أملسا مقاوما للمياه والتشقق. وفي حين يكون السطح الخارجي أملساً فإن السطح الداخلي يكون خشناً، حيث يساعد ذلك في نقل الأيونات ضمن غشاء البولمير. وتسبب خواص السطحين وظائف كتيمة للسوائل وقابلة للطفو، كما تسبب ترابطاً قوياً بين البولمير الأيوني والالكترودات.

والمثير للاهتمام هو أن الكترودات (HLrGOP) والتي تتمتع بوظائف فريدة لمنع تسريب الالكتروليت السائل أو المتبخر والأيونات المتحركة خلال التحفيز الكهربائي- تسهم بشكل كبير بديمومة استثنائية لمحركات مركبات بولمير-غرافين الأيونية والتي تعد ضرورة لازمة في التطبيقات العملية في الأجهزة الطبية وروبوتات المحاكاة الحيوية والأنظمة اللمسية بمبدأ التغذية الراجعة(feedback) باللمس، والالكترونيات المرنة.

وقد لاحظ العلماء في تجاربهم على النسخة الجديدة من العضلات الصناعية وجود تحسن ملحوظ في المتانة وعدم وجود تراجع في الأداء. وقد شجعت هذه النتائج العلماء لكنهم أقروا بالحاجة لمزيد من الجهد حتى يتم إنتاج الالكترودات المعتمدة على الغرافين، ويخططون في عام 2015 لزيادة تحسين أداء انثناء المحركات وقابليتها لتخزين الطاقة وقوتها.

ويسعى فريق كايست (معهد كوريا المتقدم للعلم والتكنولوجيا) إلى تطوير روبوت محاكاة حيوية يستخدم العضلات الصناعية التي تم تطويرها، حيث سيكون الروبوت الذي يخططون لتطويره قادراً على السير على الماء مثل بعض أنواع الحشرات التي تمتلك هذه القدرة.

المصادر:

هنا