Ảnh: Phóng to sợi cơ carbon được cuộn gia cố có đường kính 0,4 mm.
Các giáo sư tại bang Illinois vừa mới công bố nghiên cứu về việc thiết kế các sợi cơ nhân tạo siêu mạnh, các sợi cơ nhân tạo này được làm từ sợi các bon – được gia cố bằng cao su si-lô-xan, và có hình dạng cuộn. Những sợi cơ này có những tính chất vật lý nổi bật như là có khả năng nâng vật nặng gấp 12.600 lần trọng lượng của chính sợi cơ, hoặc có thể tạo ra tới 60 MPa ứng suất cơ học (đại lượng biểu thị nội lực phát sinh trong vật thể biến dạng do tác dụng của các nguyên nhân bên ngoài như tải trọng, sự thay đổi nhiệt độ), hay là cung cấp độ bền kéo (là đặc tính chịu được lực kéo đứt vật liệu) cao hơn 25% và trong một số công việc cụ thể có thể lên tới 758 J / kg. Những giá trị này cao gấp 18 lần so với các cơ bắp tự nhiên của cơ thể chúng ta.
Khi được cấp điện năng, cơ nhân tạo sợi các bon cho thấy hiệu suất tuyệt vời mà không đòi hỏi điện áp đầu vào cao: các tác giả đã làm một đoạn video diễn tả cách một bó cơ có đường kính 0,4 mm có thể nâng 1,9l nước lên cao 3,55 cm chỉ với 0,172 V/cm.
“Các sợi cơ nhân tạo giá rẻ và trọng lượng nhẹ có thể ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, như rô bốt, dụng cụ chỉnh hình, chân tay giả, hay các thiết bị phụ trợ”, Lamuta nói. “Mô hình toán học mà chúng tôi đề xuất là một công cụ thiết kế hữu ích để điều chỉnh hiệu suất của các cơ cuộn nhân tạo tùy vào những ứng dụng thực tế khác nhau. Hơn nữa, mô hình cung cấp một sự hiểu biết rõ ràng về tất cả các tham số mang vai trò quan trọng trong cơ chế hoạt động, và điều này khuyến khích nghiên cứu trong tương lai hướng tới sự phát triển các kiểu cơ mới được gia cố bằng sợi với các đặc tính nâng cao”.
Sợi cơ nhân tạo là một cuộn dây bao gồm các sợi carbon và polydimethylsiloxan (PDMS). Một sợi carbon được nhúng vào PDMS chưa được xử lý pha loãng với hexan (C6H14) và sau đó dùng mũi khoan xoắn sợi này lại tại ra một sợi composite thẳng hình dạng đồng nhất và bán kính không đổi. Sau khi xử lý PDMS, sợi composite thẳng được xoắn nhiều lần cho đến khi nó được cuộn lại hoàn toàn thành một sợi lớn hơn. “Cơ cuộn được phát minh trước đây bằng cách sử dụng sợi nylon“, Tawfick nói: “Chúng có thể tạo ra những sợi dây lớn, khiến chúng trở nên vô cùng hữu ích, có thể ứng dụng trong các thiết bị trợ giúp con người: nếu chúng có thể được tạo ra mạnh hơn”.
Nhóm nghiên cứu đặt mục tiêu dùng sợi carbon – một vật liệu nhẹ, mạnh, và đã được thương mại hóa, để sản xuất cơ nhân tạo. “Để sử dụng sợi carbon, chúng tôi phải hiểu cơ chế co giãn của cơ được cuộn lại. Khi chúng tôi hiểu rõ cơ chế, chúng tôi đã học cách biến đổi các sợi carbon thành các sợi cơ cực mạnh. Chúng tôi chỉ đơn giản là đổ đầy sợi carbon với loại cao su silicone phù hợp, và hiệu suất của chúng thật ấn tượng, chính xác những gì chúng tôi đã nhắm tới”, Tawfick nói. Nghiên cứu này chứng minh rằng sự co giãn của cơ được gây ra bởi sự gia tăng bán kính của sợi cơ do giãn nở nhiệt hoặc hấp thu dung môi từ việc đổ đầy silicon. “Các cơ co giãn khi cao su silicone tại vị trí ấy đẩy các sợi ra xung quanh nhưng trong phạm vi được kéo, bằng cách cấp thêm điện áp, nhiệt, hoặc sức căng từ dung môi. Áp lực bên trong được tạo ra từ cao su silicon lên các sợi làm cho đường kính kéo giãn tăng lên và mở ra gây ra sự co giãn dọc theo chiều dài sợi dây”.
Ảnh: Sợi cơ các bon nhân tạo có khả năng nâng chai nước nặng.
Trong việc thực nghiệm các đặc tính, điện áp một chiều được cấp cho các đầu của các cuộn dây để tạo ra nhiệt lên vật liệu composite và lần lượt gây ra sự kéo giãn. Đầu trên của cuộn dây đã được cố định, trong khi một vật nặng được gắn vào cuối dây để tạo sức căng. Độ bền kéo được ghi lại bởi máy quay phim và phân tích từng khung hình. Hoạt động kéo căng cũng được thử nghiệm thông qua sức căng của hexan lỏng được chuyển đến cơ cuộn.
Các cơ này có thể xoắn nhiều hơn nữa, và tạo ra các dợi dây lớn hơn không? Mối liên hệ chặt chẽ giữa những dự đoán toán học và thực hiện thử nghiệm đã cung cấp câu trả lời. Nhóm nghiên cứu phát hiện rằng sự tác động kéo căng của các cơ cuộn nhân tạo có thể bị hạn chế bởi tính năng của chất được thêm vào (silicone) – giới hạn áp đặt bởi các đặc tính suy thoái nhiệt của chất được thêm vào. Điều này giải thích lý do tại sao cơ bị kích thích bởi sức căng từ dung môi có đặc tính nổi trội hơn, chúng có thể co giãn mạnh hơn sự co giãn do nhiệt gây ra. Mô hình lý thuyết do các tác giả đề xuất làm sáng tỏ cách thiết kế vật liệu thêm vào có thể cho phép các cơ bắp có hiệu suất ấn tượng hơn nữa.
Đ.T.N (NASATI), theo https://scitechdaily.com/carbon-fiber-artificial-muscles-lift-12600-times-their-weight/