محركات من ألياف دقيقة تحاكي العضلات البشرية بنجاح
في الروبوتات والأطراف الصناعية وغيرها من التطبيقات الهندسية، تُستخدم عادةً محركات تحاكي انقباض عضلات الحيوانات. ومع ذلك، تبقى سرعة الألياف العضلية الطبيعية وكفاءتها المعيار المطلوب. ورغم التطورات الجديدة في تقنيات المحركات، كانت العضلات الاصطناعية في الماضي إما كبيرة جداً، أو بطيئة جداً، أو ضعيفة جداً.
قدّم فريق من المهندسين من جامعة كاليفورنيا في سان دييغو (UCSD) وصفاً لميكروليف اصطناعي جديد مصنوع من إيلاستومر البلورات السائلة (LCE)، يحاكي مقاومة التمزق والاستجابة السريعة وكثافة القدرة العالية للعضلات البشرية.
«الألياف القادرة على إحداث انضغاط محوري شائعة في الطبيعة والتطبيقات الهندسية. ورغم الاستخدام الواسع لمحركات الألياف، ما زال من الصعب للغاية تصنيع محركات ألياف بصرية تجمع بين التشوه عند التفعيل والاستجابة السريعة والقدرة النوعية العالية»، هذا ما جاء في ورقة الباحثين.
«البوليمر (LCE) مادة ناعمة وقابلة للتمدد بدرجة كبيرة. عند تطبيق محفزات خارجية مثل الضوء أو الحرارة، تنضغط هذه المادة في اتجاه واحد»
رغم أن المحركات الناعمة القائمة على LCE شائعة ويمكنها توليد حمولة ممتازة للتفعيل تتراوح بين 50 و80%، فإن زمن استجابتها يكون عادةً بطيئاً جداً. أبسط طريقة لجعل الألياف سريعة الاستجابة في آن واحد هي تقليل قطرها. ولهذا استخدم باحثو UCSD تقنية تُسمى الغزل الكهربائي، تتضمن دفع محلول البوليمر عبر محقنة أو فوهة تحت جهد عالٍ للحصول على ألياف فائقة الدقة.
يُستخدم الغزل الكهربائي لتصنيع مواد صغيرة الحجم، لإنتاج ميكروألياف يتراوح قطرها بين 10 و100 ميكرومتر. وهو معروف بقدرته على إنتاج ألياف ذات بنى مورفولوجية متنوعة، ويُستخدم عادةً في سياقات بحثية وتجارية مختلفة.
الميكروألياف التي صنعها باحثو UCSD تراوح حجمها بين 40 و50 ميكرومتراً، أي بعرض شعرة بشرية تقريباً. وهي أصغر بكثير من ألياف LCE الموجودة، بعضها يمكن أن يتجاوز سمكه 0,3 ملم. لم يكن الباحثون أول من استخدم هذه التقنية لتصنيع ألياف LCE، لكنهم أول من طور هذه الألياف أبعد من ذلك. ويعرض العلماء كيفية التحكم في تفعيل الألياف وقياس خصائص هذا التفعيل.
كدليل على المفهوم، صمم الفريق ثلاثة أجهزة روبوتية مصغرة مختلفة باستخدام ألياف LCE المشحونة كهربائياً: ملقطاً مجهرياً، وروبوتاً مجهرياً، ومضخة ميكروفلويدية تعمل بمصدر ضوئي. ويمكن التحكم في محركاتها بطريقة كهروحرارية أو بواسطة ليزر قريب من الأشعة تحت الحمراء.
عندما تكون مادة LCE عند درجة حرارة الغرفة، فإنها توجد في الطور النيماتي، وفيه تكون البلورات السائلة مرتبة بشكل عشوائي، وتتجه جميع محاورها الطولية في الغالب نحو اتجاه واحد. ومع ارتفاع درجة الحرارة، تنتقل المادة إلى ما يُعرف بالطور المتناحي الخواص، حيث تتساوى خواصها في جميع الاتجاهات، مما يؤدي إلى انكماش الليف.
أظهرت النتائج أن التشوه عند التفعيل يصل إلى 60%، ما يعني أن ليفاً طوله 10 سم سينكمش إلى 4 سم، بسرعة استجابة أقل من 0,2 ثانية وقدرة نوعية تبلغ 400 واط لكل كيلوغرام. وهذا مماثل لألياف العضلات البشرية.
يلاحظ الباحثون أن المحرك الناعم ذا التحكم الكهربائي يتيح دمجه بسهولة مع أجهزة إلكترونية منخفضة التكلفة، وهذا ميزة للأنظمة والأجهزة الروبوتية المجهرية. كما أن الغزل الكهربائي طريقة تصنيع فعّالة للغاية. وبحسب العلماء، يمكن الحصول على 10 000 ليف خلال 15 دقيقة. ومع ذلك، هناك عدد من التحديات التي لا تزال بحاجة إلى حل.
«القيد الوحيد لهذا العمل هو أنه عند تعريض ميكروليف LCE للحرارة أو الضوء، تكون كفاءة استخدام الطاقة منخفضة جداً، أقل من 1%. لذلك، قد نفكر في العمل المستقبلي في كيفية تفعيل التشغيل بطريقة أكثر كفاءة في استهلاك الطاقة»
ويتمثل قيد آخر في أن انتقال الطور من النيماتي إلى الإيزوتروبي في مادة LCE المنتجة بطريقة الغزل الكهربائي يحدث عند درجة حرارة مرتفعة جداً، تتجاوز 90 درجة مئوية. ولذلك، يستحيل إدخال الليف مباشرة في جسم الإنسان، الذي تبلغ درجة حرارته 35 درجة مئوية. وقد يكون أحد الحلول لهذه المشكلة استخدام نوع آخر من البلورات السائلة.
استخدم العلماء في عملهم مادة RM 257 كبلورة سائلة، لكنهم قد يغيرونها إلى نوع آخر لخفض درجة حرارة الانتقال الطوري. ينظر الباحثون بتفاؤل إلى إمكانية توسيع الأبحاث في مجال المحركات المغزولة كهربائياً من ميكروألياف LCE.
«أظهرنا أيضاً أنه يمكننا ترتيب عدة ألياف LCE بشكل متوازٍ وتفعيلها في وقت واحد لزيادة قوة الخرج. وهذا عمل مستقبلي نحاول فيه معرفة إمكانية دمج حزم هذه الألياف العضلية في نسيج طبي حيوي»
