ساخت ماهیچه مصنوعی با نخ های نانولوله كربنی

مجله دیجی کالا - زهرا غلامی: دانشمندان علم مواد هر کاری که از دست‌شان بربیاید انجام می‌دهند تا بتوانند ماده‌ای به شگفت‌انگیزی ماهیچه‌ی طبیعی بسازند. این ماده می‌‌تواند در صورت نیاز منقبض شود؛ یا بدون اینکه آسیب ببیند تا 70 درصد کش بیاید و بتواند خودش را ترمیم کند. حالا محققان می‌گویند آنها به ساخت ماده‌‌ای نزدیک شده‌اند که می‌تواند همه‌ی این کارها را انجام دهد، البته نه به خوبی یک ماهیچه‌ی طبیعی. این پیشرفت‌ها می‌تواند روزی در زمینه‌ی رباتیک و پروستتیک مثمر ثمر باشد.


ایده‌ی ماهیچه‌های مصنوعی ده‌ها سال پیش مطرح شد. محققان برای ساخته چنین ماهیچه‌ای ماده‌های مختلفی را از نانوتیوب‌ها گرفته تا سرامیک و آلیاژ‌های فلزی پیشنهاد داده‌اند. در سال 2000 دانشمندان یک پلمیر کشسان به نام «الاستومر» (elastomer) معرفی کردند که با اعمال ولتاژ برق می‌تواند تا سه برابر طولش کش بیاید . دوباره به حالت اولش بازگردد. اما اگر این الاستومرها آسیب می‌دیدند، باید ترمیم می‌شدند. گروه دیگری از دانشمندان هم از الاستومر به عنوان ماده‌ی اولیه برای پلیمرهای خودترمیمی استفاده می‌کردند. این ماده‌ها می‌توانند، بریدگی‌ها و سوراخ‌ها را ترمیم کنند و حتی لبه‌های بریده شده را به هم متصل کنند. اما مشکل اینجاست که اکثر این ماده‌ها ضعیف هستند و قابلیت کشسانی ندارند، به همین دلیل برای ماهیچه‌ی مصنوعی مناسب نیستند. تاکنون هیچ‌کس ماهیچه‌ی مصنوعی که بتواند خودش را ترمیم کند، نساخته است.

اما حالا یک دانشمند مواد به نام «ژنان بائو» از دانشگاه استنفورد در ژورنال Nature Chemistry گروهی از الاستومرها را معرفی کرده‌ که می‌توانند خودشان را ترمیم کنند. این ماده از زنجیره‌های پلیمری دراز و در هم فرو رفته تشکیل شده است. این زنجیره‌های پلیمری محتوی سیلیکون، اکسیژن، نیتروژن و ترکیب اتم‌های کربن با نمک آهن است. این آهن با اتم‌های اکسیژن و نیتروژن در پلیمر پیوند شیمیایی برقرار می‌کند و زنجیره‌های پلیمر را هم به خود و هم به یکدیگر متصل می‌کند. این حلقه‌‌های اتصال مانع از حرکت زنجیره‌‌های پلیمری نمی‌شود، بنابراین این ماده می‌تواند کش بیاید، اما نه کاملا آزادانه. وقتی این ماده کاملا کش آمد و تغییر شکل یافت، حلقه‌ی اتصال به شکل اولیه‌شان بازمی‌گردند و خاصیت کشسانی و استحکام را به این ماده می‌دهند.

حالا می‌رسیم به قابلیت خودترمیمی این ماده. اگر در این ماده یک سوراخ ایجاد کنیم، اتم‌های آهن در یک سمت سوراخ به سمت اتم‌های اکسیژن و نیتروژن در سمت دیگر جذب می‌شوند و پیوندهای شیمیایی را دوباره برقرار می‌کنند و ظرف 72 ساعت سوراخ بسته می‌شود. حتی وقتی محققان پلیمر را به دو تکه‌ی مجزا می‌برند، لبه‌های بریده شده تقریبا کامل به هم جوش می‌خورند، البته اگر در تماس با هم قرار گیرند. پس از اتصال، تقریبا کل استحکام ماده و 90 درصد خاصیت کشسانی آن حتی در دماهایی به اندازه‌ی منفی 20 درجه‌ی سانتیگراد بازمی‌گردد.

وقتی محققان به این پلیمر میدان الکتریکی اعمال کردند، طول این ماده به سرعت و به اندازه‌ی 2 درصد افزایش یافت. وقتی میدان الکتریکی خاموش می‌شد، این ماده به‌اندازه‌ی واقعی‌اش بازمی‌گشت.

یکی از نقاط ضعف این ماده این است که پس از اعمال میدان الکتریکی اندازه‌ی آن خیلی کم تغییر کرد. با اینکه این ماده می‌تواند تا 45 برابر اندازه‌ی اصلی‌اش کش بیاید و به حالت اول بازگردد، اما در مقایسه با ماهیچه‌ی واقعی، تغییر اندازه‌ی آن هنگام اعمال برق خیلی ناچیز است. این یعنی پاهای رباتیک نمی‌توانند به خوبی پاهای طبیعی خم شوند.

بائو توضیح می‌دهد که «هدف ما این نبود که بهترین ماهیچه‌ی مصنوعی را بسازیم، بلکه می‌خواستیم قوانین جدیدی برای طراحی ماده‌های کشسان و خودترمیم تعریف کنیم. ماهیچه‌ی مصنوعی یکی از کاربردهای احتمالی ماده‌ی ما است.» در حال حاضر، تیم بائو در تلاش هستند تا تاثیر میدان الکتریکی را افزایش دهند.

«مارک اربن»، یک دانشمند مواد از دانشگاه کارولینای جنوبی می‌گوید «تحقیقات آنها واقعا جالب و باارزش است.» او می‌گوید ما در نهایت می‌توانیم از ماهیچه‌های مصنوعی برای ساخت دست و پای مصنوعی استفاده کنیم. این دست و پای مصنوعی را می‌توانیم جایگزین اندام‌های از دست رفته‌ی افراد معلول کنیم یا اینکه این امکان را به ربات‌ها بدهیم که مثل یک انسان حرکت کنند. او همچنین می‌گوید که این ماده می‌تواند کاربردهای دیگری هم داشته باشد. مثلا خاصیت خودترمیمی آن می‌تواند در فضا مفید باشد، چون گاهی اوقات تعمیرات در فضا بسیار سخت یا غیرممکن است.