Zrínyi Miklós

VII. A polimergél mint mesterséges izom

A 60-as évek elején fokozatosan előtérbe került a gélekkel megvalósított energiatermelés (amely során például az édesvíz és a tengervíz eltérő sótartalmát használták volna ki) és -hasznosítás technikai alkalmazásai iránti érdeklődés. Lágy mozgatószerkezetek, különböző típusú emelők és vezérlések kifejlesztése kezdődött el. A kutató-fejlesztő munkát már ebben az időben nagymértékben befolyásolta a gélszerkezetek "üzemanyagának", a savaknak, lúgoknak és sóknak környezetkárosító hatása, valamint a humán alkalmazások számára reménytelennek tűnő felhasználása. Napjainkban előtérbe kerültek a termikusan aktiválható intelligens gélek, amelyek a gélkollapszussal járó térfogatváltozást használja ki munkavégzésre. Ezek munkavégző képessége kellően nagy, teljesítményük azonban a térfogatváltozás lassúsága miatt meglehetősen kicsi. A teljesítmény növelése érdekében olyan mechanizmusokat kellett keresni, amelyeknél a térfogatváltozással kapcsolatos meglehetősen lassú anyagtranszport nem játszik szerepet.

A munkavégzés szempontjából az elmozdulás a fontos, amit nemcsak térfogatváltozással, hanem alakváltozással is elő lehet idézni. A kemény anyagok közül az elektro- vagy magnetostrikciót mutató ötvözetek és az emlékező fémek alkalmasak erre a célra. Előnyük, hogy a méretváltozás megfelelő elektronikával vezérelhető és igen nagy erőket lehet kifejteni velük. Hátrányuk, hogy csak egyirányú és igen kismérvű mozgatásra alkalmasak. Az összetett mozgások megvalósítása bonyolult technikai feladat. A munkavégzéshez elengedhetetlenül szükséges alakváltozás nagysága különleges polimerekkel (polimer dielektrikumokkal) jelentősen növelhető. Ezekre jellemző, hogy felületükre kapcsolt nagyfeszültség hatására változtatják alakjukat. Az alakváltozás munkavégzésre is használható.

9. ábra

10. ábra

11. ábra

Szabályozástechnikai szempontból a számítógéppel vezérelhető hatások rendkívül sok előnyt jelentenek a mesterséges izmok alkalmazásánál. Ezért az utóbbi évek kutatásainak súlypontja átkerült az elektromos hatásokkal aktiválható anyagok kifejlesztésére. E kutatások intenzitását mi sem bizonyítja jobban, mint az, hogy ma már évente rendeznek nagy nemzetközi konferenciákat e témakörében. Az elektromos térrel előidézett deformációk gyorsak és jól szabályozhatók. Sokféle igen komplex mozgás valósítható meg velük. A 10. ábra titán-dioxid részecskéket tartalmazó szilikon gél elektromos tér hatására bekövetkező változását mutatja. A bal oldali ábrán az eredetileg egyenes gél henger elektromossággal előidézett hajlítása, a jobb oldali ábrán pedig a hullámzó mozgás egy pillanatnyi állapota látható.

Az elektromos hatásokkal mozgatható rugalmas anyagok egy különleges csoportját képezik a mágneses gélek és elasztomerek. Ezek mechanikai állapota elektromágnesek által keltett mágneses térrel befolyásolható. Alkalmasan megválasztott mágneses tér segítségével nyújthatók, hajlíthatók, forgathatók és összehúzhatók. Az alakváltozás jelentős mértékű és igen gyors. Az elemi mozgások mindegyike könnyedén megvalósítható. Elektromágnesek megfelelő elrendezésével megvalósítható olyan eset is, amikor a gél egyik részét nyújtjuk, a mellette lévőt pedig összenyomjuk. Ez lehetővé teszi számunkra a rendkívül bonyolult biológiai mozgások mímelését.

Videó: Műizom (mpg, 772 kB)

Videó: Mászó mágneses gél (mpg, 584 kB)

Videó: Periodikusan változó elektromos térrel szabályozott alakváltozás (mpg, 719 kB)

Dinamikusan változó mágneses térben a gél alakja periodikusan változik. Ez lehetővé teszi olyan új típusú gélgépek konstruálását, amelyek nem tartalmaznak súrlódásnak kitett alkatrészeket. Ez pedig tág lehetőséget nyújt a lágy robottechnika vagy lágy műszaki szerkezetek (például lágy és nedves dugattyúk, hengerek és szelepek) kifejlesztésére.

Az intelligens anyagok megjelenése a technikai fejlődés új útját nyitotta meg. E rövid és korántsem teljes ismertetővel néhány olyan törekvést és eredmény mutattam be, amelyek még a 20. században születtek. Hogy ezek az anyagok valóban a jövő anyagai lesznek-e, az mindenekelőtt az emberi intelligenciától függ.