Σε μια δημοσίευση στις 15 Μαΐου στο περιοδικό Physical Review Letters, οι φυσικοί της Virginia Tech αποκάλυψαν ένα μικροσκοπικό φαινόμενο που θα μπορούσε να βελτιώσει σημαντικά την απόδοση μαλακών συσκευών, όπως ευκίνητα εύκαμπτα ρομπότ ή μικροσκοπικές κάψουλες για τη χορήγηση φαρμάκων.
Η εργασία, που γράφτηκε από τον υποψήφιο διδάκτορα Chinmay Katke, τον επίκουρο καθηγητή C. Nadir Kaplan και τον συν-συγγραφέα Peter A. Korevaar από το Πανεπιστήμιο Radboud στην Ολλανδία, προτείνει έναν νέο φυσικό μηχανισμό που θα μπορούσε να επιταχύνει τη διαστολή και τη συστολή των υδρογελών. Πρώτον, αυτό ανοίγει τη δυνατότητα για τις υδρογέλες να αντικαταστήσουν υλικά με βάση το καουτσούκ που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή εύκαμπτων ρομπότ – επιτρέποντας σε αυτά τα κατασκευασμένα υλικά να κινούνται ίσως με ταχύτητα και επιδεξιότητα κοντά σε αυτή των ανθρώπινων χεριών.
Τα μαλακά ρομπότ χρησιμοποιούνται ήδη στην κατασκευή, όπου μια συσκευή που μοιάζει με το χέρι είναι προγραμματισμένη να αρπάζει ένα αντικείμενο από έναν μεταφορικό ιμάντα – να απεικονίζει ένα χοτ-ντογκ ή ένα κομμάτι σαπούνι – και να το τοποθετεί σε ένα δοχείο που θα συσκευαστεί. Αλλά αυτά που χρησιμοποιούνται τώρα ακουμπούν σε υδραυλικά ή πνευματικά για να αλλάξουν το σχήμα του «χεριού» για να σηκώσουν το αντικείμενο.
Παρόμοια με το σώμα μας, οι υδρογέλες περιέχουν ως επί το πλείστον νερό και υπάρχουν παντού γύρω μας, π.χ. ζελέ τροφίμων και τζελ ξυρίσματος. Η έρευνα των Katke, Korevaar και Kaplan φαίνεται να έχει βρει μια μέθοδο που επιτρέπει στις υδρογέλες να διογκώνονται και να συστέλλονται πολύ πιο γρήγορα, κάτι που θα βελτίωνε την ευελιξία και την ικανότητά τους να λειτουργούν σε διαφορετικά περιβάλλοντα.
Τι έκαναν οι επιστήμονες της Virginia Tech;
Οι ζωντανοί οργανισμοί χρησιμοποιούν την όσμωση για δραστηριότητες όπως η έκρηξη σπόρων που διασκορπίζουν τους καρπούς στα φυτά ή την απορρόφηση νερού στο έντερο. Κανονικά, θεωρούμε την όσμωση ως μια ροή νερού που κινείται μέσα από μια μεμβράνη, με μεγαλύτερα μόρια όπως τα πολυμερή που δεν μπορούν να περάσουν μέσα. Τέτοιες μεμβράνες ονομάζονται ημιπερατές μεμβράνες και θεωρήθηκε ότι είναι απαραίτητες για την ενεργοποίηση της όσμωσης.
Προηγουμένως, οι Korevaar και Kaplan είχαν κάνει πειράματα χρησιμοποιώντας ένα λεπτό στρώμα φιλμ υδρογέλης αποτελούμενο από πολυακρυλικό οξύ. Είχαν παρατηρήσει ότι παρόλο που το φιλμ υδρογέλης επιτρέπει τόσο στο νερό όσο και στα ιόντα να περάσουν και δεν είναι επιλεκτικό, η υδρογέλη διογκώνεται γρήγορα λόγω όσμωσης όταν απελευθερώνονται ιόντα μέσα στην υδρογέλη και συρρικνώνεται ξανά.
Οι Katke, Korevaar και Kaplan ανέπτυξαν μια νέα θεωρία για να εξηγήσουν την παραπάνω παρατήρηση. Αυτή η θεωρία λέει ότι οι μικροσκοπικές αλληλεπιδράσεις μεταξύ ιόντων και πολυακρυλικού οξέος μπορούν να κάνουν την υδρογέλη να διογκωθεί όταν τα ιόντα που απελευθερώνονται μέσα στην υδρογέλη απλώνονται άνισα. Το ονόμασαν αυτό «διάχυση-φορητική διόγκωση των υδρογελών». Επιπλέον, αυτός ο μηχανισμός που ανακαλύφθηκε πρόσφατα επιτρέπει στις υδρογέλες να διογκώνονται πολύ πιο γρήγορα από ό,τι ήταν προηγουμένως δυνατό.
Γιατί είναι σημαντική αυτή η αλλαγή;
Ο Kaplan εξήγησε: Τα μαλακά ευέλικτα ρομπότ κατασκευάζονται αυτήν τη στιγμή με καουτσούκ, το οποίο “κάνει τη δουλειά, αλλά τα σχήματά τους αλλάζουν υδραυλικά ή πνευματικά. Αυτό δεν είναι επιθυμητό επειδή είναι δύσκολο να αποτυπωθεί ένα δίκτυο σωλήνων σε αυτά τα ρομπότ για την παροχή αέρα ή υγρού σε αυτά .”
Φανταστείτε, είπε ο Kaplan, πόσα διαφορετικά πράγματα μπορείτε να κάνετε με το χέρι σας και πόσο γρήγορα μπορείτε να τα κάνετε λόγω του νευρικού σας δικτύου και της κίνησης των ιόντων κάτω από το δέρμα σας. Επειδή το καουτσούκ και τα υδραυλικά δεν είναι τόσο ευέλικτα όσο οι βιολογικοί σας ιστοί, που είναι μια υδρογέλη, τα μαλακά ρομπότ τελευταίας τεχνολογίας μπορούν να κάνουν μόνο περιορισμένο αριθμό κινήσεων».
Πώς θα μπορούσε αυτό να βελτιώσει τη ζωή μας;
Ο Katke εξήγησε ότι η διαδικασία που έχουν ερευνήσει επιτρέπει στις υδρογέλες να αλλάξουν σχήμα και στη συνέχεια να επιστρέψουν στην αρχική τους μορφή «σημαντικά πιο γρήγορα με αυτόν τον τρόπο» σε μαλακά ρομπότ που είναι μεγαλύτερα από ποτέ.
Προς το παρόν, μόνο τα ρομπότ υδρογέλης μικροσκοπικού μεγέθους μπορούν να ανταποκριθούν σε ένα χημικό σήμα αρκετά γρήγορα ώστε να είναι χρήσιμα και τα μεγαλύτερα χρειάζονται ώρες για να αλλάξουν σχήμα, είπε ο Katke. Με τη χρήση της νέας μεθόδου διάχυσης-φόρεσης, μαλακά ρομπότ μεγέθους όσο ένα εκατοστό μπορεί να είναι σε θέση να μεταμορφωθούν σε λίγα δευτερόλεπτα, κάτι που υπόκειται σε περαιτέρω μελέτες.
Μεγαλύτερα ευέλικτα μαλακά ρομπότ που θα μπορούσαν να ανταποκριθούν γρήγορα θα μπορούσαν να βελτιώσουν τις βοηθητικές συσκευές στην υγειονομική περίθαλψη, τις λειτουργίες “επιλέγω και τοποθετώ” στην κατασκευή, τις επιχειρήσεις έρευνας και διάσωσης , τα καλλυντικά που χρησιμοποιούνται για την περιποίηση του δέρματος και τους φακούς επαφής.
Ακολουθήστε μας και στο Google news. Διαβάστε μας για να ενημερώνεστε για όλα τα νέα, από την Ελλάδα και τον κόσμο, πατήστε το καμπανάκι για να ενημερώνεστε πρώτοι έγκαιρα και έγκυρα.
πηγή Εικόνα: Spencer Coppage για το Virginia Tech.