Ray Baughman loob kunstlihaseid


Loodus on oma tehnoloogiaid arendanud sadu miljoneid aastaid, ütles Ray Baughman. 'Vaadates seda, kuidas loodus on lahendanud selliseid probleeme nagu lihased, saame edendada oma tehnoloogiaid.' Baughman on Dallase Texase ülikooli NanoTechi instituudi direktor. Tema labor loob väga väikesed kunstlihased, keerutades nähtamatult väikeste süsiniknanotorude hõõgniite erakordseks lõngaks. Nael naela eest on see nanolõng tugevam kui teras-kuid on nii kerge, et hõljub peaaegu õhus. See intervjuu on osa spetsiaalsest ForVM -sarjast Biomimicry: Innovation Nature, mis on koostatud koostöös Fast Companyga ja sponsoreeritud Dow poolt. Baughman rääkis ForVM -i Jorge Salazariga.


Millised on teie mõtted biomimikri kohta? Kuidas saame õppida kasutama looduse meetodeid inimeste probleemide lahendamiseks?

Me saame seda teha mitmel viisil. Võime proovida jäljendada täpselt seda, mida loodus teeb, või võimalikult tema jäljendamist. Seda nimetatakse biomimikri lähenemisviisiks. Võime kasutada ka seda, mida nimetatakse bioinspiratsiooniks. Võime vaadata, mida loodus teeb, vaadata, mida saame oma tehnoloogiatega teha, ja proovida neid ühendada, et saada tulemus, mis on mõnikord isegi parem, kui loodus suudab.

Rääkige meile oma arendatavatest kunstlihastest. Kuidas keha loomulikud lihased seda tulemust inspireerivad?

Meie keha lihased tõmbuvad kokku, et tööd teha. Ja lihased, näiteks kaheksajalgade jäsemetes, tõmbuvad kokku. Kuid selle kokkutõmbumise tõttu pakuvad nad pöörlemist. Samamoodi elevandi pagasiruumi lihased. Nad on spiraalselt haavatud, nii et nende lihaste kokkutõmbumisel pöörleb elevandi pagasiruum pöörde ümber. Nanotehnoloogia abil oleme välja töötanud tehislihased, mis suudavad 1000 korda suurema pikkusega pöörata kui kaheksajalgade või elevandi tüve lihased. Need lihased põhinevad süsiniknanotorude lõngadel.




Süsiniknanotoru on väike süsinikusilinder, mille läbimõõt võib olla kümne tuhandiku võrra juuksekarvast. Need lõngad võivad olla väiksemad kui kümnendik inimese juuste läbimõõdust. Kuid need lõngad kedratakse, keerates neid, keerates üksikuid süsiniknanotorusid kokku.

Neil on käe tunne, nagu mul on vasak ja parem käsi. Nendel lõngadel on vasak ja parem käsi. Sõltuvalt sellest, kas oleme sisestanud vasak- või paremakäelise keerdumise, pöörlevad need süsiniknanotorust lõngad eri suundades, kui neile pinget rakendame. Nii et need süsinik -nanotorude väändelihased pakuvad väga ebatavalist tüüpi mootorit.

Ja isegi siin on loodus meid väga väikese mootoriga peksnud. Näiteks on teatud bakteritel tagumises otsas korgitseritaolised mootorid. Ja sperma juhivad muidugi minutipöörlevad mootorid. Meie mootorid on äärmiselt lihtsad. Võtame süsiniknanotorust lõnga, mis on keerutatud. See on keerutatud ketramine nagu iidsetel aegadel, kui inimesed lõnga keerutasid.


Mootor koosneb sellest keerutatud kedratud süsiniknanotorust lõngast, vastuelektroodist ja elektrolüüdist. Elektrolüüt on lihtsalt vedelik, mis juhib ioone. See võimaldab ioonidel liikuda. Me rakendame patareid süsinik -nanotorude lõnga ja vastuelektroodlõnga vahele. Ja süsiniknanotorust tehislihas, torsioonlihas hakkab liikuma. Tegelikult, kui meil on nende süsiniknanotorude väändelihaste külge kinnitatud mõla, pöörleb see mõla ja kiirendab kuni 600 pööret minutis umbes 1,2 sekundiga. See pöörleb pikkuseühiku kohta umbes 10 000 korda suuremas ulatuses, kui seda on varem võimaldanud inimkonna arendatud väändelihased. Need väändega tehislihased võivad arendada sarnast pöördemomenti kui hiiglaslikud elektrimootorid. Pöördemoment on põhimõtteliselt jõu mõõt, mida saab keerdudes arendada. Kui ma ütlen, et neil tekkis võrreldav pöördemoment, pean ma silmas pöördemomenti, mis on normaliseeritud vastavalt mootori kaalule või tehislihase kaalule.

Nende minutilihaste võimsus võib läheneda nende suurte elektrimootorite võimsusele, kui neid mõõdetakse kaalu alusel. Kuid kui vähendate tavapäraste elektrimootorite suurust, halveneb nende jõudlus järsult. Ja sellel väga väikesel skaalal pakuvad meie väändelised kunstlihased lihtsalt märkimisväärset jõudlust.

Kuidas need süsiniknanotorude väändelihased toimivad?


Need toimivad viisil, mis on mõnevõrra sarnane kaheksajalgade jäseme pöörlemisviisiga ja mõnevõrra sama, kuidas teatud taimed saavad päikest jälgida. Pidage meeles, et need väänduvad kunstlihased pakuvad äärmiselt lihtsaid mootoreid. Teil on süsiniknanotorust lõng ja teil on vastuelektrood ning rakendate nende vahel pinget. Kui rakendate süsiniknanotorustiku lõnga ja selle teise elektroodi vahele pinget, süstite süsiniknanotorusse elektroonilise laengu. Selle elektroonilise laengu tasakaalustamiseks rändavad lõnga elektrolüütide ioonid - pidage meeles, et see on vaid soolalahus. Kui need ioonid lõnga sisse rändavad, põhjustavad need lõnga laienemist.

Räägi meile kunstlihaste disainist. Kuidas teha kunstlikku lihast?

Alustame süsiniknanotorude metsast. Süsiniknanotoru on süsiniku nano suurusega silinder. Et anda teile aimu selle kohta, mis on nano skaala: nanomeeter võrreldes meetri pikkusega on marmori läbimõõdu ja selle maailma läbimõõdu suhe. Süsiniknanotorude metsades on need äärmiselt väikese läbimõõduga süsiniknanotorud paigutatud nagu bambuspuud bambusmetsa. Kui skaleeriksite kahe tollise läbimõõduga bambuspuu ja selle kõrguse ja läbimõõdu suhe oleks sama, mida meie kasutatavates süsiniknanotorudes, oleks bambuspuu poolteist miili pikk.

Me võtame need süsiniknanotorud süsiniknanotorude metsast väga lihtsal viisil. Näiteks võime võtta Post-It märkmeid, nagu 3M-i tehtud tüüp ja millel on kleepuv alus. Kinnitame selle liimikihi selle süsiniknanotoruga metsa külgseina külge ja joonistame. Ja saame süsinik -nanotorude lehe.

See süsinik -nanotorude leht on tõesti tähelepanuväärne olek. Selle tihedus on umbes õhu tihedus. Me võime muuta selle tiheduse kümme korda väiksemaks kui õhu tiheduse ja kümme korda madalamaks kui mis tahes isekandva materjali tihedus, mille inimkond on varem valmistanud. Vaatamata sellele väga madalale tihedusele - teisisõnu kaalule ruumalaühiku kohta - on need süsinik -nanotorude lehed, naela naela kohta, tugevamad kui tugevaim teras ja tugevamad kui polümeerid, mida kasutatakse ülikergete õhusõidukite jaoks. Nende lehtede paksus, kui need on tihendatud, on nii väike, et neli untsi neid süsiniknanotorude lehti võib katta aakri maad.

Kunstlihaste jaoks kasutatavate süsiniknanotorust valmistatud lõngade valmistamiseks sisestame süsiniknanotorude lehtedesse keerdumisi, kui me neid süsiniknanotorude metsast võtame. Keerutuste sisestamisega vähendame põhimõtteliselt tehnoloogiat, mida inimesed on praktiseerinud vähemalt 10 000 aastat. Looduslikest kiududest kokku keerates suutsid varajased inimesed riideid soojendada. Harjutame sama tehnoloogiat, kasutades nano-suurusega kiude. Me kasutame neid keerutatud kedratud süsinik -nanotorude kiude oma kunstlike lihaste valmistamiseks.

Kuidas neid laboris arendatavaid kunstlikke lihaseid reaalses maailmas kasutama hakatakse?

Praegu oleme valmistanud prototüüpseadmeid, milles kasutasime neid väga väikese läbimõõduga süsinik -nanotorudest lõngu, et pöörata labasid, mida nimetatakse mikrofluidilisteks kiipideks. Tehnoloogid tahavad vähendada kemikaalide sünteesi ja kemikaalide analüüsi samamoodi, nagu tehnoloogid on suutnud vähendada elektrooniliste vooluahelate mõõtmeid. Kuid üks suur probleem on olnud see, et need mikrofluidiahelad vajavad pumbasid. Inimeste käsutuses olevate pumpade suurus on palju suurem kui nende valmistatud laastud. Neil oli kokkusobimatus. Teil on väike kiip, suur pump, miks on kasu sellest, et kiip on nii väike. Kasutades oma süsinik -nanotorude väände kunstlikke lihaseid, saame valmistada pumbad, mis on sarnaselt kiipidega - muidugi palju väiksemad kui kogu kiibi mõõtmed. Saame teha klappe, valmistada segisteid, millel on väga väikesed mõõtmed.

Meie süsinik -nanotorudest väänduvad kunstlihased võivad pöörata labasid, mis on mitu tuhat korda raskemad kui kunstlihaste lõnga mass. Need võivad anda väga suure töömahu. Need võivad tekitada väga suuri jõude ja see on oluline erinevate rakenduste jaoks. Nüüd saame rääkida sellest, mida saame täna teha, see tähendab kasutada oma väändeliste kunstlihaseid mikrofluidiliste kiipide jaoks. Kuid see, mis on tulevikus võimalik, võib olla veelgi põnevam.

Looduses näeme, et sperma ja bakterid liiguvad nende tagaotstes korgitserikujuliste seadmete abil. Tulevikus kujutavad teadlased ette nanomõõtmelisi roboteid, mida saaks inimkehasse süstida ja mis saaksid remonditööde käigus inimkehas liikuda. Võib -olla aitaksid meie väänduvad kunstlikud lihased seda tulevikku võimaldada.