Kunstige muskler får grafen boost

Forskere i Sydkorea har udviklet en elektrode, der består af et enkelt-atom-tykt lag kulstof for at hjælpe med at lave mere holdbare kunstige muskler.

Ioniske polymermetalkompositter (IPMC'er), ofte omtalt som kunstige muskler, er elektroaktive polymeraktuatorer, der ændrer størrelse eller form, når de stimuleres af et elektrisk felt. IPMC'er er blevet grundigt undersøgt for deres potentielle anvendelse i robotter inspireret af naturen, såsom undervandsfartøjer drevet af fiskelignende finner, og i rehabiliteringsudstyr til mennesker med handicap.

En IPMC "motor", eller aktuator, er dannet af en molekylær membran strakt mellem to metalelektroder. Når et elektrisk felt påføres aktuatoren, den resulterende migration og omfordeling af ioner i membranen får strukturen til at bøje. IPMC aktuatorer er kendt for deres lave strømforbrug, samt deres evne til at bøje under lavspænding og til at efterligne bevægelser, der forekommer naturligt i miljøet.

De har en stor ulempe, imidlertid. Der kan dannes revner på metalelektroderne efter en periode med udsættelse for luft og elektriske strømme. Dette kan føre til lækage af ioner gennem elektroderne, resulterer i nedsat ydeevne.

Forbedring af holdbarheden af ​​IPMC-aktuatorer er en stor udfordring inden for kunstige muskler. Forskere undersøger måder at udvikle en fleksibel, omkostningseffektiv, meget ledende og revnefri elektrode, der kan bruges til at konstruere en holdbar polymeraktuator.

I et blad udgivet i ACS Nano , forskere fra Korea Advanced Institute of Science and Technology rapporterer udviklingen af ​​en tyndfilmelektrode baseret på en ny ionisk polymer-grafenkomposit (IPGC). Grafen er et enkelt-atom-tykt lag af kulstof med enestående mekanisk, elektriske og termiske egenskaber. De nye elektroder har en glat ydre overflade, der afviser vand og ikke har synlige revner, hvilket gør dem næsten uigennemtrængelige for væsker. De har også en ru indvendig overflade, hvilket letter migrationen af ​​ioner inden i membranen for at stimulere bøjning.

Den nye IPGC-aktuator demonstrerer enestående holdbarhed uden tilsyneladende nedbrydning, selv under meget høj indgangsspænding. Det viser løfte om brug i biomedicinsk udstyr, "biomimetiske" robotter, der efterligner bevægelser, der forekommer i naturen, og fleksibel blød elektronik.

Forskerne erkender, at der stadig er mange udfordringer, og at der er behov for mere forskning for at realisere det fulde potentiale for de grafenbaserede elektroder og deres efterfølgende kommercialisering. I 2015 de planlægger at forbedre aktuatorernes bøjningsydelse yderligere, deres evne til at lagre energi og deres kraft.

De planlægger også at udvikle en biomimetisk robot, der kan gå og hoppe på vandet som en vandstrider. De vil gøre dette ved at konstruere flydende IPGC-aktuatorer med en pålidelig bøjningsydelse, der kan fortsætte i en periode på seks timer uden nogen åbenbar ændring i holdbarheden.