Algemeen

Kunstmatige spieren van koolstof nanobuisjes

Kunstmatige spieren uit koolstof nanobuisjes
Met was gevulde koolstof nanobuisjes kunnen tot garens worden verwerkt tot actuatoren (foto’s: Wollongong University).

Motoren die werken zonder koolborstels en kogellagers en toch ongelooflijke dingen doen. Met paraffine gevulde koolstof nanobuisjes in draad-achtige actuatoren die een propeller laten versnellen tot 11.500 min-1 of een 85 keer zo grote trekkracht hebben als een even grote natuurlijke spier. Onderzoekers uit Australië en Noord-Amerika is het gelukt. Gezien de hoge vermogensdichtheid bieden dergelijke actuatoren ongekende mogelijkheden in het lage vermogensbereik.

Koolstof nanobuisjes zijn tot 10.000 keer dunner dan menselijk haar en worden krachtige actuatoren als hun wasvulling wordt verwarmd. De ingesloten was zet namelijk uit en zorgt er voor dat het getwiste garen uit koolstof nanobuisjes lineair inkorten of razendsnel verdraaien.

Op basis hiervan is het onderzoekers van Wollongong University (Australië), University of British Columbia (Canada) en NanoTech Institute van University of Texas at Dallas (VS) gelukt om elektrolyt-onafhankelijke kunstmatige spieren te produceren die een propeller in slechts 1,2 s versnellen tot 590 min-1. De schroef weegt 16,5 maal zoveel als de garenactuator zelf.

Kunstmatige spieren

De elektrolytvrije werkende kunstmatige spieren maken snelle en krachtige werkcycli afhankelijk van de uitwerking van roterende of trekbewegingen. Er kunnen meer dan een miljoen omkeerbaar cycli worden bereikt en toerentallen tot 11.500 min-1. Bij de lineair werkende trekaktoren een samentrekking van 3% van de lengte van de aandrijving gerealiseerd, en wel 1200 keer per minuut. De rotatie gebeurt twintig keer sneller dan bij andere kunstmatige spieren. De vermogensdichtheid van 27,9 kW/kg zorgt bij samentrekken van de spier tot een 85 maal hogere trekkracht dan natuurlijke spieren van vergelijkbare grootte.

De nieuwe ontwikkeling vereist – in tegenstelling tot andere kunstmatige spieren – geen elektrolyt en geen contra-elektrode. De dubbel getwiste nanobuisjes omsluiten de wasvulling in zowel vaste als vloeibare toestand. Bovendien zorgen ze voor de mechanische sterkte voor het bijeenhouden van de spiraalvormige geometrie. Dit is een voorwaarde voor de actuator-werking, die in principe ook zonder wasvulling mogelijk is. Daarbij komt nog het grote temperatuurbereik: van – 50⁰ tot +2500°C , ruim boven het smeltpunt van staal.

Verwarming en afkoeling

Koolstof nanobuisjes voor kunstmatige spieren
Mieren van 10 mg kunnen dertig tot vijftig keer hun eigen gewicht dragen. Garenactuatoren op basis van koolstof nanobuisjes tillen tot 17.700 keer hun eigen gewicht.

De was in de koolstof nanobuisjes van de hybride garens wordt elektrisch, chemisch of met behulp van lichtflitsen verwarmd. Het uitzetten van de wasvulling zorgt voor snelle en krachtige roterende of trekbewegingen. Tijdens proeven konden aan twee einden ingeklemde nanobuisgarens 17.700 maal hun eigen gewicht te trekken.

Hoewel een thermisch proces er voor zorgt dat de beweging plaatsvindt en de retourslag het gevolg is van passieve koeling van de was, zijn de aandrijvingen niet langzaam. Dit komt door de kleine hoeveelheid was in de ultrafijne nanobuisjes. De supersnelle omkeerbare torsiebekrachtiging heeft al een langeduurtest van twee miljoen cycli doorstaan.

Perspectieven

Tot nu toe remmen de hoge kosten van koolstof nanobuisjes toepassing op grote schaal, maar met de dalende prijzen voor hun uitgangsmateriaal nemen de kansen van koolstof nanobuisgarens toe. Er wordt onder meer gedacht aan kunstmatige spieren voor ruimterobots of andere actuatoren in de luchtvaartindustrie, in de handling, elektrotechniek, medische techniek en fijnmechanica. Zelfs biocompatibele kunstmatige spieren voor menselijke implantatie hebben al de aandacht van onderzoekers, hoewel nog niet in de nabije toekomst.

Wie dergelijke technologie in de toekomst wil gebruiken – in de lucht-en ruimtevaart, micro-elektronica, handling of medische technologie moet eens een bezoek brengen aan Actuator 2014. Dit congres annex vakbeurs wordt gehouden van 23 tot en met 25 juni in Messe Bremen.

x
Mis niet langer het laatste nieuws

Schrijf u nu in voor onze nieuwsbrief.

Inschrijven