Self-Healing Artificial Muscle
กล้ามเนื้อเทียมยืดหยุ่นสูง และซ่อมแซมตัวเองได้
By Katherine Bourzac
แปลโดย เม้ง
ลิ้งค์ต้นฉบับ
Posted
Photos: Cheng Hui-Li
เมื่อเราใช้งานกล้ามเนื้อ ซึ่งก็คือการทำให้กล้ามเนื้อยืดออก - หดเข้า จะทำให้กล้ามเนื้อเสียหาย และทำให้เรารู้สึกเจ็บอยุ่ระยะหนึ่ง แต่ก็ไม่ได้เป็นปัญหาอะไร เพราะร่างกายของเรามีกลไกในการซ่อมแซมกล้ามเนื้อที่เสียหายนั้น แต่ในกรณีของกล้ามเนื้อเทียมที่ทำจาก electrically-responsive polymers (โพลีเมอร์ที่ตอบสนองต่อไฟฟ้า) เมื่อเกิดความสายหายขึ้น มันจะไม่สามารถทำอะไรได้เลย
โพลีเมอร์ชนิดใหม่ ซึ่งมีความยืดหยุ่นสูง และมีความสามารถในการซ่อมแซมตัวเอง ได้ถูกพัฒนาขึ้น โดยทีมวิจัย ซึ่งนำโดยนักวิทยาศาสตร์ด้านวัสดุ ของมหาวิทยาลัยสแตมฟอร์ด Zhenan Bao ซึ่งโพลีเมอร์นี้มีคุณสมบัติพิเศษคือมีความยืดหยุ่นสูง โดยโพลีเมอร์ที่มีความยาว 2.5 เซนติเมตร จะสามารถยืดออกได้ถึง 2.5 เมตร นอกจากนี้ เมื่อมันฉีกขาด มันยังสามารถหลอมรวมเข้าเป็นเนื้อเดียวกันได้ ซึ่งวัสดุที่มีคุณสมบัติการซ่อมแซมตัวเอง (self-healing materials)อื่นๆ มักจะทำงานได้ไม่ค่อยดีในสภาพแวดล้อมทั่วไป
ในการพัฒนาครั้งนี้ ไม่ได้มีเป้าหมายที่จะสร้างกล้ามเนื้อเทียมที่ออกแรงได้มาก มันสร้างแรงนิดหน่อย และขยายตัวเพียง 3.6 % ภายใต้สนามไฟฟ้า 17.2 millivolt / meter (กล้ามเนื้อเทียมจะยืดตัวไปในทิศทางหนึ่ง แต่ขนาดจะเล็กลง ทำให้เกิดการหดตัวในอีกสองทิศทาง)
กล้ามเนื้อเทียมจะทำงานโดยการยืด - หดตัว ภายใต้สนามไฟฟ้า คล้ายกับกล้ามเนื้อจริง แต่สร้างจากโพลีเมอร์ ซึ่งเราจะสามารถพบได้ในโทรศัพท์บางรุ่นที่มีระบบป้อนกลับการสัมผัส โดยเราสามารถนำมันไปขับเคลื่อนกลไกแขนขา หรือสามารถนำให้มันยืด หรือหด เป็นอักษรเบล เพื่อผู้พิการทางสายตาได้
Bao พูดว่า โดยทั่วไปกล้ามเนื้อเทียมมักจะมีปัญหาเมื่อตัวโพลีเมอร์เกิดความเสียหาย หรือการเกิดจุดเล็กๆในเนื้อโพลีเมอร์ โดยปัจจัยเหล่านี้จะส่งทำให้ประสิทธิภาพของกล้ามเนื้อเทียมลดลง
กลุ่มวิจัยนี้ ต้องการที่จะสร้างกล้ามเนื้อเทียมที่สามารถซ่อมแซมตัวเองได้อย่างง่ายดาย ไม่ยุ่งยาก และ ถึงแม้ Bao รู้ว่า ในการพัฒนาสิ่งที่ตอบสนองได้รวดเร็ว และดูเป็นธรรมชาติ เหมือนกันผิวหนังอิเล็คทรอนิกส์ จะช่วยให้มีวัสดุใหม่ๆที่ดีขึ้นในการสร้างหุ่นยนต์ หรืออวัยวะเทียม แต่เธอก็มีเป้าหมายกว้างๆในการเรียนรู้ว่าเราจะสร้างวัสดุที่มีการทำงานหลายๆอย่าง(multifunctional) ได้อย่างไร
 |
แรงบันดาลใจที่เป็นเบื้องหลังของงานวิจัยชิ้นนี้ ไม่ใช่การสร้างกล้ามเนื้อเทียมที่แข็งแรงที่สุด แต่เป็นการหารูปแบบใหม่ๆของการพัฒนาโพลีเมอร์ที่มีหลายคุณสมบัติรวมกัน ซึ่งในที่นี้คือโพลีเมอร์ที่สามารถซ่อมแซมตัวเองได้ และตอบสนองต่อสนามไฟฟ้า
กลุ่มของ Bao ได้อธิบายเกี่ยวกับหลักการทางเคมีของโพลีเมอร์นี้ ไว้ในเจอร์นอล Nature Chemistry. คือการที่โพลีเมอร์นี้มีโมเลกุลที่มีแรงยึดเหนี่ยวพันธะสูง ทำให้มันมีความแข็งแรงมาก เมื่อพันธะนั้นถูกแยกนั้นถูกทำลาย โพลีเมอร์จะจัดเรียงตัวใหม่ ในลักษณะที่เป็นสาย(based on the common elastomer PDMS) ทำให้มันยึดออกได้มาก และได้มีการใส่โมเลกุลที่มีอะตอมของเหล็กอยู่ เมื่อพันธะของเหล็กถูกทำลาย จากการตัด หรือการยืดหดของล้ามเนื้อเทียม โมเลกุลตัวใหม่ที่เหมือนของเดิมจะเอาไปแทนที่
โพลีเมอร์ที่สามารถซ่อมแซมตัวเองได้ มักจะทำงานในสภาพแวดล้อมที่จำเพาะ ซึ่งพันธะไฮโดรเจนของโพลีเมอร์เหล่านั้น จะไวต่อไฮโดรเจน ซึ่งมีอยู่ในละอองน้ำในอากาศ อาจจะให้เสียหายได้ โพลีเมอร์อื่นๆ จะซ่อมแซมตัวเองเมื่อได้รับความร้อน หรือแรงดัน เพื่อกระตุ้นการซ่อมแซม แต่โพลีเมอร์นี่สามารถซ่อมแซมตัวเองได้ในอุณหภูมิห้องโดยไม่ต้องการการกระตุ้นอื่นๆ ซึ่งการซ่อมแซมตัวเองครั้งหนึ่งนั้น จะทำให้คุณสมบัติของโพลีเมอร์กลับไปเป็นเหมือนเดิมก่อนจะเกิดความเสียหาย
วัสดุที่มีความยืดหยุ่นสูงนั้น เป็นแค่ผลพลอยได้จากงานวิจัย โดยทีมนักวิจัยต้องการที่จะพัฒนาโพลีเมอร์ที่สามารถซ่อมแซมตัวเองได้รวดเร็วนั้นหายความว่า มันจะมีสลาย และสร้างพันธะโมเลกุลได้อย่างรวดเร็ว หลังจากเกิดความเสียหาย โดยโพลีเมอร์นี้สามารถรับความเครียด (strains) มากกว่า 10,000 % ซึ่งนับว่ามีความยืดหยุ่นสูงมากจนเครื่องมือที่มีขณะนั้นไม่สามารถวัดต่อได้
Bao บอกว่า กล้ามเนื้อเทียม เป็นหนึ่งในความเป็นไปได้ของวัสดุประเภทนี้ ขณะนี้ พวกเขาได้ประยุกต์การรวม และแยกพันธะทางเคมี ในโพลีเมอร์ชนิดใหม่ Bao บอกว่า เราต้องการสร้างวงจรไฟฟ้าที่สามารถซ่อมแซมตัวเองได้ ปัจจุบัน เขาได้พัฒนาโพลีเมอร์ที่สามารถซ่อมแซมตัวเองได้ และยังคงไว้ซึ่งคุณสมบัติทางไฟฟ้า เพื่อสร้างชิ้นส่วนๆต่างๆสำหรับทำเป็นทรานซิเตอร์ สารกึ่งตัวนำ ตัวเหนี่ยวนำ และฉนวน ซึ่งสิ่งต่างๆเหล่านี้อาจถูกใช้ในการสร้างผิวหนังอิเล็คทรอนิกส์สำหรับหุ่นยนต์และอวัยวะเทียม สำหรับผู้พิการได้
ไม่มีความคิดเห็น:
แสดงความคิดเห็น