Ερευνητές ανέπτυξαν τεχνητούς μύες που ελέγχονται από το φως!

Σύνοψη

• Ερευνητές του πανεπιστημίου Friedrich-Alexander-Universität (FAU) αναπτύσσουν τεχνητούς μύες και “έξυπνα” υλικά που βασίζονται σε μοριακές μηχανές μεγέθους λίγων δεκάδων ατόμων.
• Σε αντίθεση με τα συμβατικά ρομποτικά συστήματα, η νέα τεχνολογία δεν απαιτεί ηλεκτρικά σήματα, αλλά ελέγχεται αποκλειστικά μέσω φωτεινών παλμών.
• Η ερευνητική ομάδα δημιουργεί υλικά που αλλάζουν ιδιότητες (π.χ. ακαμψία με μπλε φως, ελαστικότητα με κόκκινο) για εφαρμογές σε ρομποτικούς βραχίονες.
• Το πρόγραμμα χρηματοδοτείται με 900.000 ευρώ από το Ίδρυμα Volkswagen και στοχεύει επίσης στη δημιουργία τρισδιάστατων οθονών σχήματος κύβου.

Το πεδίο της ρομποτικής και της επιστήμης των υλικών βρίσκεται στο κατώφλι μιας θεμελιώδους αρχιτεκτονικής αλλαγής. Ερευνητές στο Πανεπιστήμιο Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) αναπτύσσουν μια νέα γενιά έξυπνων υλικών τα οποία καταργούν την ανάγκη για πολύπλοκα ηλεκτρικά κυκλώματα ή υδραυλικά συστήματα κίνησης. Ο πυρήνας αυτής της καινοτομίας εντοπίζεται σε νανοσκοπικές μοριακές μηχανές οι οποίες διαμορφώνουν τεχνητούς μύες, ικανούς να ανταποκρίνονται και να ελέγχονται αποκλειστικά από το φως.

Το συγκεκριμένο ερευνητικό project, το οποίο έχει εξασφαλίσει χρηματοδότηση ύψους 900.000 ευρώ μέσω του προγράμματος Momentum του Ιδρύματος Volkswagen, αναμένεται να ολοκληρωθεί σε βάθος τετραετίας. Η μετάβαση από τον παραδοσιακό ηλεκτρικό έλεγχο στην οπτική ενεργοποίηση ανοίγει νέους δρόμους για την κατασκευή συστημάτων υψηλής ακρίβειας, τα οποία μπορούν να προγραμματιστούν σε μοριακό επίπεδο, μεταβάλλοντας όχι μόνο την κινητική τους κατάσταση, αλλά και τις ίδιες τις φυσικές τους ιδιότητες.

Πώς λειτουργούν οι τεχνητοί μύες που ελέγχονται από το φως;

Οι νέοι τεχνητοί μύες βασίζονται σε νανοσκοπικές μοριακές μηχανές δεκάδων ατόμων, οι οποίες ενσωματώνονται σε τρισδιάστατα πολυμερή. Σε αντίθεση με τα συμβατικά ρομποτικά συστήματα που απαιτούν ηλεκτρικούς παλμούς, αυτές οι δομές αλλάζουν σχήμα ακαριαία όταν εκτίθενται σε συγκεκριμένα μήκη κύματος φωτός, παράγοντας άμεσα μηχανική κίνηση και μεταβάλλοντας τις ιδιότητες του υλικού.

Η έννοια των μοριακών μηχανών δεν είναι κάτι καινούργιο στη βιολογία, καθώς σε κάθε ζωντανό οργανισμό, εξειδικευμένες πρωτεΐνες λειτουργούν ως μικροσκοπικοί κινητήρες. Στους φυσικούς μύες, δομές όπως η ακτίνη και η μυοσίνη ολισθαίνουν η μία πάνω στην άλλη, προκαλώντας την αναμενόμενη σύσπαση του ιστού. Ωστόσο, η προσέγγιση της ομάδας του FAU διαφοροποιείται ριζικά ως προς την αρχιτεκτονική και την κλίμακα, διότι οι τεχνητές μοριακές μηχανές τους είναι σημαντικά μικρότερες από τα φυσικά τους ανάλογα και δομούνται με εντελώς διαφορετικές χημικές αρχές.

Η ερευνητική ομάδα έχει ήδη κατασκευάσει νανοκινητήρες, μικροσκοπικά γρανάζια και μοριακές “λαβίδες” ικανές να χειρίζονται ύλη σε ατομικό επίπεδο. Το επόμενο κρίσιμο στάδιο, το οποίο υποστηρίζεται από την τρέχουσα χρηματοδότηση, είναι η κλιμάκωση. Όπως ακριβώς χιλιάδες πρωτεϊνικά νήματα συνεργάζονται σε έναν ανθρώπινο μυ για να σηκώσουν ένα βάρος, έτσι και αυτές οι τεχνητές μοριακές μηχανές πρέπει να οργανωθούν σε τρισδιάστατα δίκτυα (πολυμερή) και να λειτουργούν συντονισμένα βάσει αυστηρών φυσικοχημικών κανόνων. Η επιτυχής συνένωσή τους επιτρέπει τη μετατροπή της μικροσκοπικής κίνησης σε μακροσκοπικά, εκμεταλλεύσιμα αποτελέσματα.

Προγραμματιζόμενα υλικά και οπτικός έλεγχος

Η πραγματική καινοτομία αυτού του εγχειρήματος εντοπίζεται στην απουσία ηλεκτρικών κυκλωμάτων: αντί για καλωδιώσεις και μικροελεγκτές που μεταφέρουν ρεύμα, τα υλικά αυτά αντιδρούν στο φως. Η διέγερση από συγκεκριμένα μήκη κύματος προκαλεί αλλαγή στο σχήμα των νανομηχανών, η οποία με τη σειρά της πυροδοτεί τη συνολική κίνηση της κατασκευής.

Αυτή η φωτο-ευαισθησία επιτρέπει τη δημιουργία πλήρως “προγραμματιζόμενων υλικών”. Για παράδειγμα, το υλικό μπορεί να σχεδιαστεί ώστε να γίνεται εξαιρετικά άκαμπτο όταν εκτίθεται σε μπλε φως, αλλά να αποκτά μεγάλη ελαστικότητα κάτω από την επίδραση κόκκινου φωτός. Αυτή η ιδιότητα έχει τεράστιες προεκτάσεις στη «μαλακή» ρομποτική (soft robotics): ένας ρομποτικός βραχίονας που αποτελείται από αυτούς τους τεχνητούς μύες θα μπορούσε να παραμένει άκαμπτος σε ολόκληρο το μήκος του, αλλά εφαρμόζοντας μια δέσμη συγκεκριμένου φωτός σε ένα ακριβές σημείο, το σημείο αυτό θα γινόταν άμεσα εύκαμπτο, επιτρέποντας στον βραχίονα να λυγίσει ακριβώς όπου και όταν απαιτείται, με χειρουργική ακρίβεια.

Παράλληλα, η αλλαγή στο σχήμα των μορίων συχνά συνοδεύεται από αλλαγή στο χρώμα τους. Η ομάδα του FAU διερευνά την αξιοποίηση αυτής της οπτικής παρενέργειας για τη δημιουργία καινοτόμων συστημάτων προβολής. Οραματίζονται οθόνες σχήματος κύβου που αποτελούνται από αυτά τα υλικά, μέσα στις οποίες θα μπορούν να προβάλλονται τρισδιάστατες εικόνες ορατές από κάθε γωνία θέασης. Σε αντίθεση με τις σημερινές τεχνικές χάραξης με λέιζερ σε γυαλί, οι οποίες είναι μόνιμες, αυτές οι ογκομετρικές εικόνες θα μπορούσαν να διαγραφούν και να ανανεωθούν ακαριαία, ανοίγοντας το δρόμο για πραγματικές, δυναμικές 3D απεικονίσεις.

Με τη ματιά του Techgear

Η ιδέα υλικών που μεταβάλλουν τις δομικές τους ιδιότητες μέσω απλού φωτισμού ακούγεται σαν θεωρητική φυσική, αλλά η επιτυχής απομόνωση και λειτουργία μοριακών κινητήρων αποδεικνύει το αντίθετο. Το σημαντικότερο στοιχείο εδώ δεν είναι απλώς η κίνηση, αλλά η παράκαμψη του παραδοσιακού ηλεκτρικού grid εντός των μηχανών. Εάν η ερευνητική ομάδα καταφέρει να προσπεράσει τα εμπόδια της κλιμάκωσης –διότι το να συγχρονίσεις μερικές δεκάδες άτομα είναι εντελώς διαφορετικό από το να κατασκευάσεις ένα βραχίονα ενός κιλού– η μαλακή ρομποτική θα αναγεννηθεί. 

Η ικανότητα “προγραμματισμού” της ακαμψίας με μπλε/κόκκινο φως αφαιρεί τεράστιο όγκο υπολογιστικού φόρτου και μηχανικής πολυπλοκότητας (actuators, servos) από το εσωτερικό των συσκευών. Η πραγματική πρόκληση, ωστόσο, θα είναι η ενεργειακή απόδοση: Πόσο ισχυρή πηγή φωτός θα απαιτείται για να σηκώσει ένας τέτοιος τεχνητός μυς ένα συμβατικό φορτίο; Η απάντηση σε αυτό το ερώτημα θα κρίνει αν βρισκόμαστε μπροστά σε μια εργαστηριακή περιέργεια ή στο μέλλον της εμβιομηχανικής.

*Μπορείτε πλέον να προσθέσετε το Techgear.gr ως Προτιμώμενη Πηγή ενημέρωσης για τις αναζητήσεις σας στο Google Search!