סיבי הניילון שעושים שרירים

מדענים מהמכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס (MIT) הצליחו לגרום לסיב ניילון לחקות את פעולות הכיפוף שמבצעים השרירים שלנו. מדובר בקפיצת דרך משמעותית ביכולתנו לשלוט בתנועת חומרים ובשילובם בתעשיות הרובוטיקה, הרכב והרפואה.

שרירים מלאכותיים הם חומרים שמסוגלים להגיב לגירוי חיצוני ולבצע פעולות דומות לאלה של שרירי הגוף, כגון כיווץ, הרפיה, סיבוב וכיפוף. החומרים האלה עמידים מאוד ללחץ ולמתח וכך הם יכולים לאגור אנרגיה לשימוש מכני.

בעבר הצליחו חוקרים להמחיש שסיבי ניילון מחוטי דיג יכולים לחקות את תנועת השרירים, להתמתח ולהתכווץ, על ידי ליפופם. בתגובה לחום, הסיבים המלופפים מתכווצים באורכם אך מתרחבים בקוטרם וכך הם יכולים לאגור ולשחרר אנרגיה רבה מאוד לאחר קירור. התכונה הזאת מאפשרת לסיב יחיד להרים משקלים גדולים פי מאה מכפי שמרים שריר רגיל באותו גודל. עם זאת, בשונה מאצבעותינו הם אינם יכולים להתכופף, ולשם כך דרושות תוספות מסובכות יותר. עד לפיתוח האחרון, יצירת חומרים שיודעים להתכופף בהוראה מלמעלה נשארה אתגר משמעותי.

במחקר שפרסמו בכתב העת Advanced Materials ניצלו החוקרים את העובדה שסיבי ניילון שחוממו דורשים זמן יחסית ארוך להתקרר ולחזור לצורתם המקורית. בשונה מחוטי דיג רגילים שחתך הרוחב שלהם עגול, הם עיצבו סיב ניילון בעל חתך מרובע וצדדים מוגדרים שאפשר לחמם בנפרד. לדברי כותב המאמר, סיִיד מירווקילי (Mirvakili), כשמחממים צד אחד של הסיב הוא מתכווץ עוד יותר מהר מהזמן שלוקח לחום לעבור לצדו השני, וכך נוצר כיפוף.

את החום אפשר לספק בצורות רבות, כמו התנגדות חשמלית, תגובה כימית או הקרנת לייזר. בחלק מניסוייהם ציפו החוקרים את סיב הניילון בציפוי מוליך חום שמתחמם באופן סלקטיבי בחשיפה למתח וגורם לכיפוף של חלק הסיב שמתחתיו.

שומרים על כוחם

חומרים שמסוגלים לחקות את תנועת הכיפוף נחקרו בעבר. אריגי ננו-צינוריות פחמן, צינורות מיקרוסקופיים חלולים ומוליכי חשמל העשויים פחמן, הדגימו למשל גמישות משמעותית כשחשפו אותם לזרם חשמלי. בנוסף, סגסוגות זיכרון, שהן תערובות של מתכות ש"זוכרות" את סידורן המרחבי, הדגימו יכולות דומות. הבעיה היא שכל אלה עשויים מחומרים אקזוטיים ויקרים או מאבדים מכוחם לאחר מחזורי כיפוף מעטים.

לעומת זאת, החוקרים מ-MIT הצליחו לשמר את יכולת הכיפוף של סיב הניילון גם אחרי מאה אלף מחזורים במהירות של 17 מחזורי כיפוף לשנייה. החוקרים אף הדגימו את יכולתו של הסיב להתכופף בכיוונים שונים לסירוגין כאשר מחממים אותו מכיוונים שונים.

הסיבים החדשים יוכלו לשמש בעתיד למגוון מטרות, כגון ייצור פרטי לבוש שמתאימים את גודלם אוטומטית למידת הלובש. בנוסף, הם יוכלו להרכיב אמצעי גישוש רפואיים שיפעלו בתוך כלי דם ואיברים פנימיים, או מנגנונים שיאפשרו לכלי רכב להתאים את צורתם לתנאים האווירודינמיים שהם פוגשים. ייתכן שבטווח הארוך אף נראה רובוטים בעלי יכולת תנועה אנושית שישתמשו בסיבים המתוחכמים האלה.