عضلات مغناطیسی نرم، با ساختاری پوست مانند، قادر به بلند کردن ۱۰۰۰ برابر وزن خود هستند. این پیشرفت چشمگیر در علم مواد، نویدبخش انقلابی در رباتیک نرم و فناوری پوشیدنی است و قدرت و انعطاف‌پذیری بی‌نظیری ارائه می‌دهد.
محققان مؤسسه ملی علوم و فناوری اولسان (UNIST) در کره جنوبی، یک عضله مصنوعی کامپوزیتی مغناطیسی پیشگامانه توسعه داده‌اند. این ماده نوآورانه، توانایی قابل توجهی در تغییر حالت بین نرم و سفت دارد و هم نرمی پوست مانند و هم قدرت استثنایی را از خود نشان می‌دهد که قادر به تحمل بارهایی قابل مقایسه با اتومبیل‌ها است. این پیشرفت نشان دهنده یک جهش قابل توجه در علم مواد است و پیامدهای گسترده‌ای برای رباتیک نرم، فناوری پوشیدنی و سایر زمینه‌ها دارد.
چالش مواد نرم سنتی مورد استفاده در رباتیک و پوشیدنی‌ها، در تضاد ذاتی بین انعطاف‌پذیری و قدرت آنها نهفته است. در حالی که آنها در تسهیل حرکات روان برتر هستند، اغلب فاقد قدرت لازم برای بلند کردن اجسام سنگین و دقت برای کارهای پیچیده هستند. مواد موجود یا برای تقلید از حرکات طبیعی بسیار سفت هستند یا برای حفظ کنترل دقیق بسیار انعطاف‌پذیر هستند که کاربرد آنها را در رباتیک پیشرفته و دستگاه‌های پوشیدنی محدود می‌کند.
تیم UNIST به رهبری پروفسور هون ای جئونگ از گروه مهندسی مکانیک، این چالش را با ایجاد یک ماده کامپوزیتی که قادر به انتقال بین حالت‌های سخت و نرم است، برطرف کرد. این ویژگی پویا از طریق ترکیب هوشمندانه دو جزء کلیدی به دست می‌آید: ذرات فرومغناطیسی و پلیمرهای حافظه‌دار.
ذرات فرومغناطیسی که به میدان‌های مغناطیسی پاسخ می‌دهند، کنترل از راه دور عضله مصنوعی را امکان‌پذیر می‌کنند و به طور قابل توجهی در قدرت آن نقش دارند. از سوی دیگر، پلیمرهای حافظه‌دار، توانایی منحصر به فردی در تغییر شکل در پاسخ به محرک‌های خارجی مانند گرما یا نور دارند و متعاقباً به شکل اولیه خود باز می‌گردند. این ویژگی، عضله مصنوعی را با سازگاری قابل توجه و توانایی تنظیم سفتی آن با توجه به وظیفه مورد نظر، آغشته می‌کند.
محققان از یک عملیات سطحی تخصصی برای اطمینان از پیوند قوی بین ذرات فرومغناطیسی و پلیمر حافظه‌دار استفاده کردند. این اتصال قوی، استحکام و عملکرد کلی عضله مصنوعی را افزایش می‌دهد و پاسخ سریع و کارآمد به میدان‌های مغناطیسی را تسهیل می‌کند. پس از اعمال میدان مغناطیسی، ذرات فرومغناطیسی واکنش نشان می‌دهند و باعث تغییر شکل در عضله می‌شوند. این پاسخ سریع، حرکات دقیق و کنترل شده را امکان‌پذیر می‌کند و از مهارت عضلات طبیعی تقلید می‌کند.
پروفسور جئونگ بر تطبیق‌پذیری این عضلات مصنوعی تأکید کرد و اظهار داشت: «با استفاده از روش‌های چند تحریکی، از جمله گرمایش لیزری و کنترل میدان مغناطیسی، می‌توانیم حرکات اساسی مانند کشیدگی، انقباض، خم شدن و پیچش را به همراه اقدامات پیچیده‌تر مانند دستکاری اشیاء با دقت، از راه دور انجام دهیم.» این چند منظوره بودن، درها را به طیف وسیعی از کاربردها، از رویه‌های ظریف جراحی گرفته تا رباتیک صنعتی قوی، باز می‌کند.
معیارهای عملکرد این عضلات مغناطیسی واقعاً چشمگیر است. آنها تغییر شگفت‌انگیز ۲۷۰۰ برابری در سفتی و تغییر هشت برابری در نرمی از خود نشان می‌دهند که نشان‌دهنده سازگاری آنها با وظایف مختلف است. علاوه بر این، این مواد می‌توانند نیروهای کششی ۱۰۰۰ برابر وزن خود و نیروهای فشاری ۳۶۹۰ برابر وزن خود را تحمل کنند که قدرت استثنایی آنها را برجسته می‌کند. راندمان انرژی آنها به همان اندازه قابل توجه است و ۹۰.۹٪ از انرژی ورودی را به کار مفید تبدیل می‌کند و اتلاف انرژی را به حداقل می‌رساند و عملکرد را به حداکثر می‌رساند.
برای پرداختن به مسئله ارتعاشات، که اغلب در کاربردهای پرسرعت عضلات مصنوعی با آن مواجه می‌شود، تیم یک طرح دولایه جدید را گنجانده است. این طرح شامل یک لایه هیدروژل میراگر ارتعاش است که کنترل بی‌سابقه‌ای را فراهم می‌کند و ارتعاشات را حتی در سرعت‌های بالا به حداقل می‌رساند و دقت و پایداری عضله مصنوعی را بیشتر می‌کند.
این پیشرفت پیامدهای قابل توجهی برای زمینه‌های مختلف دارد. در رباتیک نرم، این عضلات مغناطیسی می‌توانند توسعه ربات‌های چابک‌تر، پاسخگوتر و قدرتمندتر را که قادر به انجام وظایف پیچیده با مهارت انسان مانند هستند، امکان‌پذیر کنند. در فناوری پوشیدنی، آنها می‌توانند منجر به ایجاد وسایل کمکی شوند که قدرت و تحرک بیشتری را فراهم می‌کنند و کیفیت زندگی افراد دارای محدودیت‌های جسمی را بهبود می‌بخشند. در زمینه پزشکی، این مواد نویدبخش ابزارهای جراحی کم تهاجمی و دستگاه‌های کاشتنی هستند که می‌توانند به طور دقیق در داخل بدن کنترل و دستکاری شوند.
پروفسور جئونگ نتیجه‌گیری کرد: «این تحقیق، راه را برای کاربردهای دگرگون‌کننده در بخش‌های مختلف، که توسط خواص مکانیکی و عملکردی که از محدودیت‌های عضلات مصنوعی موجود فراتر می‌روند، هموار می‌کند.» این ماده نوآورانه، گامی مهمی در تلاش برای ایجاد عضلات مصنوعی است که با قابلیت‌های همتاهای بیولوژیکی خود رقابت می‌کنند و حتی از آنها پیشی می‌گیرند. این مطالعه که در مجله Nature Communications منتشر شده است، راه را برای آینده‌ای هموار می‌کند که در آن رباتیک نرم و فناوری پوشیدنی به طور یکپارچه با زندگی ما ادغام می‌شوند، توانایی‌های ما را افزایش می‌دهند و نحوه تعامل ما با جهان را تغییر می‌دهند.
اگر به خواندن کامل این مطلب علاقه‌مندید، روی لینک مقابل کلیک کنید: interesting engineering
