Popeye je špinačo zaslovel kot zelenjavo za krepitev mišic. Toda zelenjave vas bodo nekoč lahko okrepile, ne da bi jih pojedli - ko jih znanstveniki uporabijo za izgradnjo novega razreda umetnih mišic. Ta teden je ekipa na Tajvanu predstavila pozlačene čebulne celice, ki kažejo na obljubo pri razširitvi, sklenitvi in upogibanju v različne smeri, kot je resnično mišično tkivo.
Sorodne vsebine
- Ta čebula vas ne bo nikoli razjokala
- Ta robot ima boljše mišice kot vi
Umetne mišice imajo široko paleto možnih aplikacij, od pomoči poškodovanim ljudem do napajanja robotov, in obstaja veliko načinov, kako jih poskusiti zgraditi. Lani so na primer znanstveniki razvili nabor umetnih mišic iz preproste ribiške linije, ki bi lahko dvignila 100-krat več kot človeške mišice enake velikosti in teže. A še ni viden noben očitno boljši način, kako narediti ponarejeno mišico.
"Obstajajo umetne mišice, ki uporabljajo elastomere, zlitine spomina v obliki, piezoelektrične kompozite, ionsko prevodne polimere in ogljikove nanocevke, " pravi Wen-Pin Shih z nacionalne tajvanske univerze v Tajpeju. "Vozni mehanizmi in funkcije so zelo raznoliki." Nekatere vrste umetnih mišic poganja pritisk, denimo v pnevmatskih sistemih, druge pa ustvarjajo gibanje s pomočjo temperaturnih sprememb ali električnega toka.
Velik izziv za izdelovalce umetnih mišic je bil, da svoje materiale hkrati upognejo in stisnejo, kot to počnejo prave mišice. Ko nekdo nagiba klasično postavo "naredi mišico", se na primer sklene, da se mu biceps stisne, hkrati pa se upogne navzgor, da dvigne podlaket. Shih in sodelavci so poskušali izdelovati umetno mišico, ki bi se lahko na ta način upognila in skrčila, in ugotovili so, da sta zgradba in dimenzije čebule kože zelo podobni mikrostrukturi, ki so jo imeli v mislih.
Da bi postavila ostro zelenjavo na preizkus, je Shihova skupina najprej svežo olupljeno čebulo odvzela eno plast epidermalnih celic in jo očistila z vodo. Nato je ekipa čebulo zmrznila, da bi odstranila vodo, medtem ko je celične stene pustila nedotaknjene. Ta postopek je mikrostrukturo pretvoril v togo in krhko, zato so čebulo obdelali s kislino, da so odstranili beljakovino, ki strdi celice, imenovano hemiceluloza in ji povrnili elastičnost.
Plasti čebule so se gibale kot mišice, tako da so jih spremenile v elektrostatični aktuator. To je pomenilo, da jih prevlečemo z zlatimi elektrodami, ki vodijo tok. Zlato so nanesli v dveh debelinah - 24 nanometrov na vrhu in 50 nanometrov na dnu -, da bi ustvarili različne upogibne togosti in omogočili, da se celice upognejo in raztegnejo na resnične načine. To se je lepo povezalo z naravno težnjo čebule do upogibanja v različnih smereh, ko je bila izpostavljena različnim napetostim zaradi elektrostatične privlačnosti.
Ekipa je iz celic kože čebule naredila mišične "pincete". (Shih Lab, Državna univerza Tajvan) Nižje napetosti od 0 do 50 voltov so povzročile, da so se celice podaljšale in sploščile iz svoje prvotne ukrivljene strukture, medtem ko so višje napetosti od 50 do 1000 voltov povzročile, da se je mišična vegetacija skrčila in upognila navzgor. Z nadzorom teh napetosti za spreminjanje mišic sta bila dva izmed čebulnih aranžmajev uporabljena kot pinceta za oprijem majhne bombažne kroglice, Shih in kolegi so ta teden poročali v pismih uporabne fizike .
Toda za uspeh je bila potrebna relativno visoka napetost, ki jo Shih imenuje doslej glavna pomanjkljivost. Nižje napetosti so potrebne za nadzor mišice z drobnimi baterijami ali mikroprocesorskimi komponentami, ki bi bile bolj primerne za napajanje vsadkov ali delov robota. "Morali bomo razumeti konfiguracijo in mehanske lastnosti celičnih sten, da bomo lažje premagali ta izziv, " ugotavlja.
Shih pravi, da čebulne celice ponujajo nekatere prednosti v primerjavi s prejšnjimi poskusi uporabe živih mišičnih celic. "Gojenje celic, da tvorijo košček mišičnega tkiva za ustvarjanje moči vleke, je še vedno zelo zahtevno, " pravi Shih. "Ljudje so že prej poskušali uporabljati žive mišice. Toda potem, kako ohranjati mišične celice žive, postane težava. Rastlinske celice uporabljamo, ker celične stene zagotavljajo mišično moč, ne glede na to, ali so celice žive ali ne. "
Trpežnost je sicer težava: pozlatacija je pomagala zaščititi čebule mišice, vendar vlaga lahko še vedno prodre v njihove celične stene in spremeni lastnosti materiala. Shih ima idejo, da se spopade s to težavo, ki bi jo lahko kmalu preizkusili. "Čebulno umetno mišico lahko premažemo z zelo tanko plastjo fluorida, " pravi. "Zaradi tega bo umetna mišica neprepustna za vlago, vendar ne bo spremenila mehkobe naprave."
