Mikropavara veikia be jokių elektrodų: mokslininkai sukūrė tai, ko robotikoje dar nebuvo

Dabar Lenkijos mokslų akademijos tyrėjų komanda parodė, kad net ir paprastas, nuo žmogaus plauko storiai nenusileidžiantis anglies pluoštas gali lenktis ir vėl ištiesėti pagal komandą – ir tam nereikia jokio tiesioginio elektrodų prijungimo.

Jų pateiktas koncepcijos įrodymas atskleidžia naują būdą, kaip paversti įprastus anglies pluoštus mažytėmis pavaromis (aktuatoriais). Šis pasiekimas gali pakeisti mikromechanikos ir minkštosios robotikos sritis, pasiūlydamas paprastesnį judesio generavimo būdą mikroskopiniu masteliu.

„Tikimės, kad šie rezultatai praplės minkštosios robotikos ir mikromechanikos tyrimams skirtų priemonių arsenalą“, – rašo tyrimo autoriai.

Ilgalaikis iššūkis: išmanieji pluoštai

Metų metus mokslininkai stengėsi sukurti išmaniuosius pluoštus – medžiagas, kurios keičia formą reaguodamos į elektrą, šviesą, šilumą ar terpės rūgštingumo pokyčius. Išmanieji polimerai jau yra žinomi: jie gali reaguoti į tokius dirgiklius, keisdami spalvą ar formą ir vėl grįždami į pradinę būseną.

Tačiau kai kalbama apie mikropluoštus ir nanoplaušus, situacija gerokai sudėtingesnė. Daugeliui sistemų reikia specialių dangų, struktūrinių modifikacijų ar sudėtingų gamybos etapų, kad pluoštai taptų jautrūs dirgikliams. Tai didina kainą, sudėtingumą ir riboja praktinį pritaikymą.

Pagrindinė problema iki šiol buvo tiksli ir grįžtamoji kontrolė. Mokslininkams kai kada pavykdavo priversti pluoštą judėti, tačiau nepakankamai tiksliai ir nepakartojamai. Būtent čia šio tyrimo autoriai pasirinko kitokį kelią.

Užuot smarkiai modifikavę pluoštus, jie panaudojo nedengtus, nepakitusios struktūros anglies pluoštus ir susitelkė į tai, kaip su jais sąveikauja elektra.

Anglies pluoštai jau seniai vertinami inžinerijoje: jie lengvesni už plieną ar aliuminį, bet labai tvirti. Be to, jie laidūs elektrai, todėl puikiai tinka elektrocheminiams eksperimentams.

Tyrėjai vieną mikrometrinio skersmens anglies pluoštą įmontavo į specialią elektrocheminę sistemą, vadinamą bipoliniu elementu. Tokios sistemos nuo XX a. 8-ojo dešimtmečio naudojamos biosensoriuose, reaktoriuose ir baterijose.

Kaip elektra privertė anglies pluoštą sulenkti

Pluoštas buvo patalpintas tarp dviejų kamerų, pripildytų jonų turinčio skysčio. Tai buvo tirpalas su tokiais krūvį turinčiais dalelėmis kaip ličio jonai (Li⁺) ir perchlorato jonai (ClO₄⁻). Tirpale taip pat buvo redokso pora – benzochinonas ir hidrochinonas, kurie palaiko oksidacijos ir redukcijos reakcijas.

Uždavus išorinę įtampą visoje sistemoje, įvyko kai kas įdomaus. Komanda palygino du pluoštų tipus: lygius ir natūraliai šiurkščius. Šiurkščių pluoštų paviršiuose buvo smulkių griovelių ir netolygiai pasiskirsčiusių porų. Šis natūralus asimetriškumas pasirodė esąs lemiamas

Veikiant įtampai, jonai iš tirpalo nelygiai skverbėsi į pluošto paviršių. Vienoje pluošto pusėje vyko oksidacija, kitoje – redukcija. Kadangi jonų įsiskverbimas vienoje pusėje buvo stipresnis, pluoštui teko nevienoda mechaninė įtampa.

Dėl šio netolygaus įtempimo pluoštas ėmė linkti. Pakeitus įtampos poliškumą arba ją išjungus, jonai iš pluošto paviršiaus pasitraukė, įtampa dingo, o pluoštas vėl ištiesėjo. Paprastai tariant, į pluoštą patekantys ir iš jo pasišalinantys jonai privertė anglies pluoštą ritmiškai lankstytis.

Judėjimas buvo visiškai grįžtamas ir priklausė tiek nuo taikomos įtampos, tiek nuo pluošto ilgio.

Belaidė anglies pluošto pavara

Svarbu tai, kad pluoštas nebuvo tiesiogiai prijungtas prie jokio laido. Uždaroje bipolinėje celėje viename jo gale vyko oksidacija, kitame – redukcija, tad pluoštas veikė kaip belaidis aktuatorius.

„Mes sėkmingai panaudojome uždarą bipolinę celę, kad elektrochemiškai, belaidžiu būdu sužadintume laisvai pakabintą anglies pluoštą“, – sakė vienas tyrimo autorių, Voiciechas Nogala.

Tyrėjai taip pat parodė, kad įtampą galima taikyti impulsais. Tiksliai valdant impulsų trukmę ir įtampos lygį, pluoštas galėjo kartotinai judėti aukštyn ir žemyn – lyg mikroskopinės „žnyplutės“. Tai įrodo, kad sistema nėra vienkartinis efektas, o kontroliuojama ir pakartojama mechaninė reakcija.

Perspektyvus koncepcijos įrodymas

Nors tai dar tik koncepcijos lygmens tyrimas, jo pasekmės gali būti labai plačios. Jei paprasti, gamykloje pagaminti, asimetriški anglies pluoštai gali veikti kaip mažytės pavaros, inžinieriams galbūt nebereikės sudėtingų dangų ar konstrukcinių pokyčių, kad sukurtų mikromastelio įrenginius.

Tokių pluoštų būtų galima naudoti sintetiniams „raumenims“ mikrorobotuose, mikroelektromechaninėse sistemose ar įtaisuose, kurie turi suimti ar judinti itin mažus objektus. Judesio stiprumas priklauso nuo įtampos ir pluošto ilgio, todėl sistemą galima priderinti prie konkrečios paskirties.

Ateityje komanda planuoja toliau tirti aktuatorius, paremtus iš anksto pagamintais asimetriškais anglies pluoštais, ir optimizuoti jų veikimą.

Jei šie bandymai bus sėkmingi, paprastas, jonų judėjimu pagrįstas veikimo principas gali tapti naujos kartos minkštosios robotikos sistemų ir mikroskopinių įrankių varomąja jėga, priartindamas mus prie mašinų, galinčių veikti ląstelių ir nanostruktūrų masteliu.