Al meer dan 15 jaar, onderzoekers van de Universiteit van Texas in Dallas en hun medewerkers in de VS, Australië, Zuid-Korea en China hebben kunstmatige spieren gefabriceerd door koolstofnanobuisjes of polymeergarens te draaien en op te rollen. Wanneer thermisch aangedreven, deze spieren worden geactiveerd door hun lengte samen te trekken wanneer ze worden verwarmd en terugkeren naar hun oorspronkelijke lengte wanneer ze worden afgekoeld. Dergelijke thermisch aangedreven kunstmatige spieren, echter, beperkingen hebben.

Elektrochemisch aangedreven koolstofnanobuisjes (CNT)-spieren bieden een alternatieve benadering om te voldoen aan de groeiende behoefte aan snelle, krachtig, grote slag kunstmatige spieren voor toepassingen variërend van robotica en hartpompen tot morphing kleding.

"Elektrochemisch aangedreven spieren zijn vooral veelbelovend, omdat hun energieomzettingsefficiëntie niet wordt beperkt door de thermodynamische warmtemotorlimiet van thermische spieren, en ze kunnen grote samentrekkende slagen behouden terwijl ze zware lasten ondersteunen zonder veel energie te verbruiken, " zei dr. Ray Baughman, de Robert A. Welch Distinguished Chair in Chemistry en directeur van het Alan G. MacDiarmid NanoTech Institute aan de UT Dallas. "In tegenstelling tot, menselijke spieren en thermisch aangedreven spieren hebben een grote hoeveelheid input-energie nodig om zware lasten te ondersteunen, zelfs als ze geen mechanisch werk verrichten."

In een onderzoek dat op 28 januari online is gepubliceerd in het tijdschrift Wetenschap , beschrijven de onderzoekers het creëren van krachtige, unipolaire elektrochemische garenspieren die meer samentrekken als ze sneller worden aangedreven, waardoor belangrijke problemen worden opgelost die de toepassingen voor deze spieren hebben beperkt.

Elektrochemisch aangedreven CNT-garenspieren worden geactiveerd door een spanning aan te leggen tussen de spier en een tegenelektrode, die ionen van een omringend elektrolyt in de spier drijft.

Maar er zijn beperkingen aan elektrochemische CNT-spieren. Eerst, de spieractivatie is bipolair, wat betekent dat spierbeweging - of het nu gaat om uitzetting of samentrekking - van richting verandert tijdens een potentiële scan. De potentiaal waarbij de slag van richting verandert, is de potentiaal van nullading, en de snelheid waarmee de potentiaal in de loop van de tijd verandert, is de potentiële scansnelheid.

Een ander probleem:een bepaald elektrolyt is alleen stabiel over een bepaald spanningsbereik. Buiten dit bereik, het elektrolyt breekt af.

"Vorige garenspieren kunnen het volledige stabiliteitsbereik van de elektrolyt niet gebruiken, " zei Baughman, een corresponderende auteur van de studie. "Ook, de capaciteit van de spier - het vermogen om de lading op te slaan die nodig is voor activering - neemt af met toenemende potentiële scansnelheid, waardoor de slag van de spier dramatisch afneemt met toenemende activeringssnelheid."

Om deze problemen op te lossen, de onderzoekers ontdekten dat de binnenoppervlakken van opgerolde koolstof nanobuisgarens kunnen worden gecoat met een geschikt ionisch geleidend polymeer dat positief of negatief geladen chemische groepen bevat.

"Deze polymeercoating zet de normale bipolaire activering van koolstofnanobuisgarens om in unipolaire activering, waarbij de spier in één richting werkt over het gehele stabiliteitsbereik van de elektrolyt, " Zei Baughman. "Dit lang gezochte gedrag heeft verrassende gevolgen die elektrochemische koolstofnanobuisjes veel sneller en krachtiger maken."

Promovendus scheikunde Zhong Wang, een co-eerste auteur van de studie, legde de onderliggende wetenschap uit:"Het dipolaire veld van het polymeer verschuift het potentieel van nullading - dat is waar de elektronische lading op de nanobuisjes van teken verandert - naar buiten het stabiliteitsbereik van de elektrolyt. Vandaar dat ionen van slechts één teken worden elektrochemisch geïnjecteerd om deze elektronische lading te compenseren, en de slag van de spier verandert in één richting over dit hele bruikbare potentiële scanbereik."

Dr. Jiuke Mu, universitair hoofddocent aan het UT Dallas NanoTech Institute en co-eerste auteur, zei dat de polymeercoating het capaciteitsprobleem van elektrochemische garenspieren helpt oplossen.

"Het aantal oplosmiddelmoleculen dat door elk ion in de spier wordt gepompt, neemt toe met toenemende potentiële scansnelheid voor sommige unipolaire spieren, die de effectieve ionengrootte vergroot die de activering aandrijft, "Zei Mu. "Dus, spierslag kan met een factor 3,8 toenemen bij toenemende potentiële scansnelheid, terwijl de slag van koolstofnanobuisgarenspieren zonder de polymeercoating met een factor 4,2 afneemt voor dezelfde veranderingen in potentiële scansnelheid."

De vooruitgang zorgt voor elektrochemische unipolaire spieren die samentrekken om een ​​maximaal gemiddeld mechanisch uitgangsvermogen per spiergewicht van 2,9 watt/gram te genereren, dat is ongeveer 10 keer het typische vermogen van menselijke spieren en ongeveer 2,2 keer het gewicht-genormaliseerde vermogen van een V-8-dieselmotor met turbocompressor.

De polymeercoating die werd gebruikt om deze resultaten te produceren, was poly(natrium-4-styreensulfonaat), die is goedgekeurd voor drugsgebruik en goedkoop genoeg voor gebruik bij waterontharding. De opname van deze polymeergast maakte praktische werking van een koolstofnanobuisspier mogelijk van hoge temperaturen tot onder de min 30 graden Celsius.

Wang zei dat het team ook ontdekte dat unipolair gedrag, zonder scansnelheid verbeterde slagen, kon worden verkregen wanneer grafeenoxide-nanoplaatjes werden opgenomen in de garenspier met behulp van een biscrolling-proces dat onderzoekers van UT Dallas hebben gemaakt en gepatenteerd.

"Het gebruik van deze gast om de dipolaire velden te leveren die nodig zijn voor unipolair gedrag, verhoogde het maximale gemiddelde contractiele mechanische vermogen van de spier tot een opmerkelijke 8,2 watt/gram, dat is 29 keer het maximale vermogen van dezelfde menselijke spiermassa en ongeveer 6,2 keer dat van een V-8-dieselmotor met turbocompressor, ' zei Wang.

"We ontdekten ook dat twee verschillende soorten unipolaire garenspieren, elk met streken met verbeterde scansnelheid, kan worden gecombineerd om een ​​dubbele elektrode te maken, all-solid-state garen spier, waardoor de noodzaak van een vloeibaar elektrolytbad wordt geëlimineerd, Wang zei. "Een elektrolyt in vaste toestand wordt gebruikt om twee opgerolde koolstof nanobuisgarens zijdelings met elkaar te verbinden die verschillende polymeergasten bevatten, één met negatief geladen substituenten en de andere met positief geladen substituenten. Beide garens trekken samen tijdens het opladen om additief bij te dragen aan de activering, door de injectie van positieve en negatieve ionen, respectievelijk. Deze unipolaire spieren met dubbele elektrode zijn geweven om activerend textiel te maken dat kan worden gebruikt voor het veranderen van kleding."