أحد صفحات التقدم العلمي للنشر
العلوم التطبيقيةهندسة

عضلات صنعية

عضلات صنعية(*)

أدوات مبتكرة لتوليد الحركة ـ مُشغِّلات ومحركات ومولدات ـ

جوهرُها پوليميرات تغيّر شكلها عندما تحفز كهربائيا.

وتوشك هذه الأدوات أن تدخل في مرحلة الإنتاج التجاري.

<S.آشلي>

 

لعبة ثمنها 100 دولار فقط، وهي عبارة عن حوض مائي يعوم فيه سمك إنسالي(1) robotic طورته شركة في أوساكا باليابان. والمثير في الأمر أن تلك الأسماك اللدائنية (الپلاستيكية) ذات الألوان الزاهية تدفع نفسها في الماء في تقليد مقبول للكائن الحي ولا تحتوي على أي أجزاء ميكانيكية: لا محركات ولا محاور للتدوير ولا مسننات ولا حتى بطارية. فهذه الأسماك تعوم لأن مكونات جسمها اللدائنية تنثني جيئة وذهابا، كما لو أن الأمر يتم بمحض إرادتها. إنها أول منتج تجاري مبني (معتمد) على جيل جديد محسّن من الپوليميرات(2)المنشطة كهربائيا (EAP)(3). فهي لدائن تتحرك استجابة للكهرباء.

 

لعقود عديدة سعى المهندسون الذين يصممون المشغِّلات (أيْ أدوات توليد الحركة) لتكون مكافئا صُنعيا للعضلة. فبمجرد تغيير طولها استجابة لحفز عصبي، يمكن للعضلات بذل مقادير مضبوطة من القوة تكفي لتوليد طرفة عين أو لرفع حاملة أثقال. تمتاز العضلات أيضا بخاصية ثبات المقياس: فآلياتها تتعامل بالكفاءة نفسها مع جميع الأحجام. ومن حيث المبدأ فإن نفس النسيج العضلي يحرك كلا من الحشرات والأفيال. إن شيئا يشبه العضلة سيكون مفيدا في أدوات التحريك التي يصعب تزويدها بمحركات كهربائية صغيرة.

 

تمثل الپوليميرات المُنشطة كهربائيا التقانة الواعدة لتصنيع العضلات الصُّنعية في المستقبل. يعكف الباحثون على العمل ضمن خطط طموحة لتوفير بدائل مبنية على هذا النوع من الپوليميرات للعديد من التقانات الحالية. وهم لا يترددون في وضع ما ينتجونه في منافسة المخلوقات الطبيعية. فمنذ سنوات قام عدة أشخاص، من بينهم <Y.بار-كوهين> [وهو باحث رئيسي في مختبر الدفع النفاث (IPL)  (4) بپاسادينا في كاليفورنيا]، بالإعلان عن مسابقة للعاملين في هذا المجال بهدف تحفيز اهتمامهم وشحذ جهودهم: سباق لصنع أول ذراع إنسالية تحرك الپوليميرات المنشطة كهربائيا، يمكنها هزيمة منافس بشري في منافسة لثني الذراع. بعد ذلك قام العاملون بحملة لجمع التبرعات لجائزة نقدية تمنح لفريق العمل الفائز.

 

ولعل أكثر الجهود الواعدة حاليا في مجال الپوليميرات المنشطة كهربائيا ما تقوم به الشركة SRI International، وهي مختبر غير ربحي للأبحاث التعاقدية مركزه في مينلو پارك، بكاليفورنيا. تأمل إدارة المختبر الانتهاء من تأمين مبلغ الاستثمار الأولي، وقدره يراوح بين 4 و 6 بلايين دولار، اللازم لتأسيس شركة تابعة أُطلق عليها مبدئيا اسم شركة العضلات الصنعية المتحدة، لاستغلال هذه التقانة تجاريا بعد تسجيل براءات اختراعها. وحتى في الوقت الحاضر، تعمل الشركة SRI في نحو ستة من عقود البحث والتطوير مع الحكومة الأمريكية وعدد من شركات إنتاج الألعاب والآلات الذاتية الحركة والإلكترونيات والأحذية والمنتجات الطبية، وذلك بهدف إنتاج العضلات الصنعية وطرحها في الأسواق.

 

نظرة إجمالية/ الپوليميرات المنشطة كهربائيا(**)

▪  يسعى الفيزيائيون والكيميائيون منذ مدة طويلة إلى تطوير مواد خفيفة الوزن يمكنها أن تتمدد أو تنكمش بشكل ملحوظ في الطول أو الحجم عند تعريضها لتأثير المجال الكهربائي. ويمكن لتلك المواد أن تستخدم لتشغيل أدوات مبتكرة لتوليد الحركة [تعرف عامة بالمشغلات] كبديل محتمل للمحرك الكهربائي الواسع الانتشار، والذي غالبا ما يكون ضخما وثقيلا بشكل لا يناسب التطبيقات الصغيرة الحجم.

▪  هناك جيل جديد من مواد الپوليميرات المنشطة كهربائيا تُظهر، عند حفزها، استجابة مادية كبيرة بما يكفي لصنع نوعيات جديدة من  المشغلات، وكذلك مجسات مبتكرة ومولدات للطاقة. وقد بدأت منتجات مبنية على تقانة «العضلات الصنعية» هذه تشق طريقها إلى الأسواق.

 

وما الذي تهدف إليه الشركة الوليدة؟ إنه مجرد الاستعاضة عن العدد الكبير من الأنواع المختلفة من المحركات الكهربائية التي نستخدمها بانتظام، فضلا عن الآليات الأخرى الشائعة لتوليد الحركة، بمنتجات أصغر وأخف وأرخص باستخدام المشغلات المبتكرة للشركة SRI. يقول <P.ڤون گاگينبرگ> [مدير مختبر التطوير التجاري في الشركة] «نعتقد أن لهذه التقانة فرصة جيدة لإحداث ثورة في مجال التشغيل الميكانيكي. نود أن تتوافر تلك التقانة في كل مكان، بنفس الطريقة التي تشتري بها شيئا من محال المكونات الحاسوبية.»

 

مواد تتحرك(***)

عمل بار-كوهين منسقا غير رسمي للمجموعة الدولية للباحثين من مختلف المشارب في مجال الپوليميرات المنشطة كهربائيا منذ أواسط التسعينات. يستعيد بار-كوهين ذكرياته عن البدايات الأولى لهذا المجال ويقول ضاحكا بدهاء: «في ذلك الوقت لم تكن مواد الپوليميرات التي كنت أقرأ عنها في المقالات العلمية تعمل على حسب ما كان يعلن عنه. ولما كنت قد حصلت على دعم مالي من وكالة الطيران والفضاء الوطنية الأمريكية (ناسا) لدراسة تلك التقانة، فقد وجدت نفسي مضطرا للبحث حولي عن أشخاص يعملون في هذا المجال للتوصل إلى شيء يعمل بالفعل.» وخلال بضع سنوات كان بار-كوهين قد تعلم ما يكفي ليتمكن من تنظيم أول مؤتمر علمي عن الموضوع، والبدء بإصدار نشرة إخبارية عنه، وإعداد موقع خاص به على الإنترنت، وتحرير كتابين عن تلك التقانة الناشئة.

 

http://oloommagazine.com/images/Articles/20/SCI2004b20N1_H03_003232.jpg

ذراع إنسالية تُحرَّك بالپوليميرات المُنشطة كهربائيا، قد تتمكن في نهاية المطاف من منافسة نظيرتها البشرية في مباراة لثني الذراع.

 

يجلس بار-كوهين بين صفوف من طاولات المختبر تنتشر عليها نماذج أولية من أدوات تشغيل وأجهزة اختبار في مجمع «مختبر الدفع النفاث» (JPL)، ويستعرض تاريخ تلك التقانة التي عرفها حقّ المعرفة: «لزمن طويل والناس يبحثون عن طرق لتحريك الأشياء بلا محركات كهربائية، وهي التي يمكن أن تكون ثقيلة وضخمة لا تتناسب مع العديد من التطبيقات. قبل تطوير الپوليميرات المنشطة كهربائيا كان البديل القياسي لتلك المحركات هو الخزفيات الكهرإجهادية (الكهرضغطية) piezoelectric ceramics، التي توافرت منذ مدة طويلة نسبيا».

 

ففي حالة المواد الكهرإجهادية، يسبب الإجهادُ الميكانيكي استقطابا كهربائيا للبلورات، والعكس بالعكس. فإذا مرِّر فيها تيار كهربائي سيتشوه شكلها. وإذا شوّه شكلها عن طريق الإجهاد سيتولد تيار كهربائي.

 

يرفع بار-كوهين قرصا صغيرا رمادي اللون من إحدى مناضد المختبر قائلا: «هذا القرص مصنوع من مادة كهرإجهادية هي زركونات تيتانات الرصاص leadzirconate titanate PZT .» ويقول إن مرور التيار الكهربائي في هذه المادة يجعلها تنكمش وتتمدد بجزء من واحد في المئة من طولها الكلي؛ ومع أن هذه ليست بحركة كبيرة ولكنها مفيدة على كل حال.

 

كيف تعمل الكهرباء على تمديد اللدائن(****)

تعتبر الآلية الأساسية التي يبنى عليها عمل منتجات العضلات الصنعية بسيطة نسبيا. عند تعرّض المطاطيات العازلة ـ كالسيليكونات والأكريليكات ـ للمجالات الكهربائية الناجمة عن ڤلطيات عالية فإنها تنكمش في اتجاه المجال وتتمدد في الاتجاه العمودي عليه، وهي ظاهرة يطلق العلماء عليها إجهاد ماكسويل. والأدوات الجديدة هي أساسا مكثفات مطاطية ـ لوحان متوازيان مشحونان يحصران بينهما مادة عازلة. عند توصيل القدرة الكهربائية، تتجمع الشحنات الموجبة والسالبة على القطبين المتقابلين. يجذب كل من نوعي الشحنات النوع الآخر ويعصران الپوليمير العازل بين اللوحين، الذي يستجيب بدوره عن طريق تمدد مساحته.

http://oloommagazine.com/images/Articles/20/SCI2004b20N1_H03_003233.jpg

يغطي المهندسون طبقة رقيقة متلاحمة من المطاطيات العازلة (بثخانة تراوح بين 30 و 60 ميكرونا في العادة) من طرفيها بسطحين مكونين من جزيئات الكربون الموصلة للكهرباء العالقة في مصفوفة من پوليمير طري. وعند توصيل الطبقة الرقيقة بأسلاك إلى مصدر للقدرة الكهربائية تعمل طبقتا الكربون كقطبين مطاوعين تتمدد مساحتهما مع المادة العازلة المحصورة في الوسط. تستخدم طبقات اللدائن هذه كأساس لتشكيلة كبيرة من أدوات مبتكرة من مشغّلات ومجسّات ومولدات للطاقة.

لا تعتبر المطاطيات العازلة، التي تتضخم بنسبة تصل إلى 400% من أبعادها الأصلية قبل التنشيط، الأنواع الوحيدة من المواد أو الأدوات التي يمكن تنشيطها كهربائيا مع أنها تعتبر مثالا لأكثر المواد فعالية في هذا المجال.

يقارن الرسم البياني في الصفحة المقابلة أداء الأنواع المختلفة من مواد المشغّلات ووسائطها، التي تتضمن المنتجات المعروفة لتوليد الحركة عن طريق تيار كهربائي، وكذلك باستخدام مجالات كهرسكونية وكهرمغنطيسية. ويقصد بالانفعال الميكانيكي كمية الإزاحة أو الحركة التي يمكن للأداة توليدها لكل وحدة طول. يُعَدُّ ضغط التشغيل/الكثافة مقياسا للقوة الناتجة. وبوسع المطاطيات العازلة توليد انفعال وقوة أكبر من كثير من التقانات الأخرى المنافسة. وتشبه خواصها في هذا المجال خواص عضلات الحيوان الطبيعية، ولذا أطلق عليها اسم «العضلات الصنعية».

http://oloommagazine.com/images/Articles/20/SCI2004b20N1_H03_003234.jpg

 

في غرفة مجاورة يعرض بار-كوهين مثاقيب صَدْمية بطول قدم واحدة تشغلها تلك الأقراص الصغيرة التي يقوم بتصنيعها مع زملائه في مختبر الدفع النفاث والشركة سيبر سونيكس. «تضم هذه الأسطوانة حزمة من أقراص من مادة كهرإجهادية. عند تغذيتها بتيار متناوب تضرب حزمة الأقراص بتردد فوق سمعي على كتلة، فتهتز الكتلة للأعلى والأسفل بتردد عال دافعة بلقمة قاطعة لتحفر في صخر صلد.» على أحد الجوانب تتكوم كتل الحجارة التي قامت لُقَمُ المثقاب بحفر ثقوب عميقة فيها.

 

والبيان العملي لفعالية أداء الخزفيات الكهرإجهادية كمشغلات، هو مؤثر حقا؛ لكن العديد من التطبيقات تتطلب مواد منشطة كهربائيا تتضخم أكثر من مجرد جزء من واحد في المئة.

 

لدائن تستجيب(*****)

وكما يرى بار-كوهين، يمكن تصنيف الپوليميرات التي تغير شكلها استجابة لتحفيز كهربائي وفق مجموعتين: أيونية وإلكترونية، لكل منها مزاياها ومثالبها. تضم المجموعة الأيونية: هلام الپوليميرات الأيونية (IPG)(5) ومركبات من پوليميرات ـ معادن أيونوميرية (IPMC)(6) وپوليميرات موصلة (CP)(7) وكذلك أنابيب نانومترية (شعرية) كربونية (CNT)(8). وتعتمد هذه المجموعة من الپوليميرات المنشطة كهربائيا في عملها على أسس كهركيميائية ـ أي على حركية الأيونات المشحونة وانتشارها ـ ويمكن تشغيلها مباشرة من البطاريات؛ نظرا لأنها تنحني بشكل ملحوظ عند تطبيق ڤلطية منخفضة لا تتجاوز قيمتها خانة عشرية واحدة. وتكمن المشكلة في حاجتها، بوجه عام، إلى البقاء رطبة؛ مما يستدعي تغليفها بغلاف مرن محكم السد. والمثلب الرئيسي للعديد من الپوليميرات الأيونية هذه (وبخاصة المركبات پوليميرات ـ معادن الأيونوميرية) كما يرى بار-كوهين: «هو استمرار حركتها مادامت الكهرباء مطبقة عليها، كما أن تجاوز الڤلطية المطبقة حدا معينا سيؤدي إلى ظهور تفاعلات الكَهْرَلَةelectrolysis  التي تؤدي بدورها إلى تلف في المادة يتعذر إصلاحه.»

 

في المقابل، تعمل المجموعة الإلكترونية من الپوليميرات المنشطة كهربائيا بتأثير المجالات الكهربائية، وتضم: الپوليميرات الكهرحديدية(9)، والإلكتريتات(10) والمطاطيات العازلة والمطاطيات المطعّمة الكهرإجهادية(11) تحتاج هذه المجموعة إلى ڤلطيات عالية نسبيا يمكن أن تسبب صدمات كهربائية مزعجة، ولكن من ناحية أخرى تمتاز المجموعة الإلكترونية بسرعة استجابتها وبقدرتها على توليد قوة ميكانيكية كبيرة. لا تحتاج المجموعة إلى أغطية واقية، ولا تتطلب مرور أي تيار تقريبا للإبقاء عليها في وضعها.

 

تقع المواد التي تستخدمها الشركة SRI لصنع العضلات الصنعية ضمن المجموعة الإلكترونية من الپوليميرات المنشطة كهربائيا. ويعتبر الطريق الطويل الوعر، والاستكشافي أحيانا، الذي سلكته الشركة لتحقيق تطويراتها الناجحة مثالا معهودا للتقلبات التي تكتنف عملية الإبداع التقاني.

 

مطاط يُكهرب(******)

يقول <R.پيلرين> [الفيزيائي الذي تحول إلى مجال الهندسة الميكانيكية والذي يقود فريق التطوير في الشركة SRI]: «بدأت الشركة العمل في مجال العضلات الصنعية عام 1992 بعقد ضمن البرنامج الياباني للآلات الدقيقة.» كان المسؤولون اليابانيون يبحثون عن نوع جديد من تقانة المشغلات الميكروية. فقد قام بعض الباحثين في الشركة بالبحث عن مادة مولدة للحركة تشبه العضلة الطبيعية من حيث القوة والشوط (الإزاحة الخطية) والانفعال (الإزاحة لكل وحدة طول أو مساحة).

 

يستعيد پيلرين ذكرياته عن تلك الفترة قائلا: «لقد استعرضنا مجموعة كبيرة من تقانات المشغلات الممكنة،» ولكن في النهاية وقع اختيارهم على الپوليميرات الكهرإجهادية وهي طائفة من المواد كانت محل دراسة في ذلك الوقت من قِبَل <J.شاينبايم> [في جامعة روتگرز]. في تلك الپوليميرات تترتب جزيئات الهدروكربونات (الفحوم الهدروجينية) في صفيفات شبه متبلورة تتصف بخواص تشبه خواص المواد الكهرإجهادية.

 

عند تعرضها لمجال كهربائي، تنكمش جميع اللدائن العازلة، مثل الپولي يورثين، في اتجاه خطوط المجال وتتمدد في الاتجاه العمودي عليها. ويطلق على هذه الظاهرة اسم «إجهاد ماكسويل»، وهي تختلف عن الظاهرة الكهرإجهادية. يقول پيلرين: «عُرفت هذه الظاهرة منذ مدة طويلة، غير أنها كانت تعتبر بشكل عام تأثيرا مزعج.»

 

http://oloommagazine.com/images/Articles/20/SCI2004b20N1_H03_003235.jpg

إنسالة تشبه الحشرة [سُميت فِلكس] تمشي على أرجل، تستمد قدرتها من تمدد عضلات صنعية لُفافية الشكل.

 

أدرك پيلرين أن الپوليميرات الأكثر طراوة من الپولي يورثين ستنعصر أكثر تحت تأثير الجذب الكهرسكوني، ومن ثم تُوفر إجهادات ميكانيكية أكبر. وباستخدام سيليكونات طرية تمكن الباحثون في الشركة من تحقيق إجهادات مقبولة تماما تراوح بين %10 و %15. وبتواصل الأبحاث أمكن رفع هذه المعدلات إلى %20و %30. ولتمييز مواد المشغّلات الجديدة، أطلق على السيليكونات وغيرها من اللدائن الطرية اسم المطاطيات العازلة (وتعرف أيضا بالپوليميرات التي تشَغّل بالمجال الكهربائي.)

 

بعد تعرّف عدة مواد پوليميرية واعدة، ركّزت مجموعة الباحثين أثناء معظم الفترة المتبقية من التسعينات على التفاصيل العملية لصنع أدوات لتطبيقات محددة. أتى جزء كبير من الدعم المالي الخارجي الجديد لفريق الشركة في ذلك الوقت من وكالة مشروعات الأبحاث المتطورة (دارپا DARPA) ومكتب أبحاث القوات البحرية، والتي كان القائمون عليها مهتمين بشكل رئيسي باستخدام التقانة لأغراض عسكرية، بما في ذلك صنع إنسالات استطلاع صغيرة ومولدات للطاقة خفيفة الوزن.

 

في الوقت الذي بدأت فيه المطاطيات تُظهر انفعالات ميكانيكية أكبر بكثير، تُظهر المهندسون أن الأقطاب (المساري) electrode المستخدمة لتوصيل الكهرباء يجب أن تكون لها القدرة على التمدد هي الأخرى. والأقطاب المعدنية العادية تنكسر إذا ما تمددت. يشير پيلرين إلى ذلك قائلا: «في السابق، لم يولِ الباحثون هذا الموضوع الاهتمام لأنهم كانوا يتعاملون مع مواد تنتج انفعالات ميكانيكية في حدود %1 تقريبا.» وفي نهاية المطاف تمكن الفريق من تطوير أقطاب مطاوعة مبنية على استخدام جسيمات كربونية في مصفوفة مطاطية. ويعلق على ذلك بقوله: «نظرا لأن الأقطاب تتمدد مع اللدائن، فإنها تحافظ على المجال الكهربائي بينها وعلى مدى المنطقة الفعالة بأكملها.» وقد قامت الشركة بتسجيل براءة هذا الاختراع الذي يُعد أحد المفاتيح لتطوير تقانة العضلات الصنعية فيما بعد.

 

أمسك پيلرين، الذي كان متلهفا لتقديم بيان عملي، في يده ما يشبه إطار صورة مساحته ست بوصات مربعة وله غلاف لدائني على شكل شطيرة مشدود بإحكام عبره. دفع بإصبعه في الطبقة الرقيقة الشفافة قائلا: «انظر، المادة الپوليميرية هذه قابلة للتمدد للغاية. إنها في الواقع شريط لاصق من وجهيه، يباع في لفات كبيرة بتكلفة منخفضة.» في الوسط وعلى جانبي الطبقة الرقيقة ظهر القطبان المطاوعان بلون أسود وفي حجم النِكلة(12)، تتدلى منهما أسلاك التوصيل.

 

أدار پيلرين مفتاح التحكم لمنبع كهربائي. في الحال، اتسعت الدائرة السوداء لكل من زوجي الأقطاب ليصبح لها قطر قطعة ربع الدولار. عندما أعاد مفتاح التحكم إلى وضعه الأصلي انكمش القرص مرة أخرى في الحال. ابتسم پيلرين ابتسامة عريضة وكرر العملية عدة مرات قائلا: «من حيث المبدأ تعتبر أدواتنا هذه مكثفات ـ من قطبين مشحونين متوازيين يحصران بينهما مادة عازلة. عند توصيل القدرة الكهربائية، تتجمع الشحنات الموجبة والسالبة على القطبين المتقابلين. يجذب كل منهما الآخر ويضغطان على الپوليمير العازل، الذي يستجيب بدوره عن طريق تمدد مساحته.

 

على الرغم من التوصل إلى عدة مواد واعدة، فإن تحقيق أداء مقبول في أدوات عملية كان بمنزلة تحد. غير أن العام 1999 شهد تحقيق إنجازين بارزين حازا قدرا كبيرا من الاهتمام من الجهات الحكومية والصناعية. نتج الإنجاز الأول من ملاحظة أن شد الپوليميرات قبل تنشيطها كهربائيا يحَسّن أداءها بدرجة ملحوظة لسبب ما. يتذكر المهندس <.R  كورنبلا> [وهو عضو آخر في الفريق] قائلا: «بدأنا نلاحظ أن هناك فيما يبدو منطقة مفضلة نحصل فيها على أداء أمثل.» لم يكن أحد يعرف سبب ذلك على وجه التحديد، ولكن الشد المسبق للپوليميرات كان يضاعف متانة الانهيار للعازل [أي مقاومته لمرور التيار بين القطبين] بما يصل إلى 100 مرة، كما يُحسِّن الانفعالات الميكانيكية بدرجة مشابهة. ومع أن السبب لا يزال غير واضح، فإن <Q.پي> [الكيميائي في شركةSRI] يعتقد أن «الشد المسبق يوجّه السلاسل الجزيئية باتجاه مستوى التمدد وأيضا يجعلها أصلب في ذلك الاتجاه.» وللحصول على هذا التأثير من الإجهاد المسبق تتضمن مشغلات الشركة مشابك شدّ خارجية.

 

فطائر «لُفافات الربيع»، ثعابين وأذرع إنسالية(*******)

باستخدام پوليميرات تتمدد استجابة لتأثير الكهرباء أمكن التوصل إلى مشغّلات تستطيل ـ أو تنحني ـ على حسب الطلب. يقوم المهندسون في البداية بلف طبقتين من صفائح المطاطيات العازلة [تتلاحم من الجانبين بأقطاب مرنة] على شكل أسطوانات مدمجة. غالبا ما تُلف الطبقات الرقيقة حول نابض حلزوني مضغوط يسبب إجهادا محيطيا مسبقا على هذه الطبقات من شأنه تحسين أداء الأداة. يمكن استخدام تلك الأداة التي يطلق عليها اسم «لفافات الربيع» في العديد من التطبيقات، كمشغلات للآليات الإنسالية والأعضاء الصنعية والصمامات والمضخات، وحيثما كانت الحاجة إلى حركة خطية بسيطة. وحاليا أمكن للمشغّلات إنتاج قوة تصل إلى 30 نيوتن [نحو 6.6 رطل]، وإزاحات خطية [أشواط] تصل إلى نحو  2 سم، وسرعات ترددية تزيد على 50 هرتز. ولزيادة الخرج الميكانيكي، يمكن استخدام التقانة بمقياس أكبر، أو استخدام عدة مشغّلات موصلة على التسلسل أو على التوازي.

http://oloommagazine.com/images/Articles/20/SCI2004b20N1_H03_003236.jpg

عن طريق تعديلات بسيطة يمكن الحصول على أدوات تنحني وفق الحاجة. يقوم المهندسون بِرَذّ أقطاب ذات نمط خاص، على طبقة رقيقة من پوليميرات مطاطية عازلة بطريقة تسمح بوجود مُشّغلتين مستقلتين على جانبي اللفافة [منفصلتين على طول اللفة]. إذا طبقت الڤلطية على النصف الأيسر فقط فإن النصف الأيمن يعيق الحركة الناتجة، مما يؤدي إلى انحناء الأداة إلى اليمين [الشكل أدناه]. إما إذا طبقت الڤلطية على النصف الأيمن فقط فتنحني الأداة إلى اليسار. وعند تطبيق الڤلطية على النصفين، فإن الأداة تتمدد. يمكن توليد حركات أصعب باستخدام صفيفات أكثر تعقيدا تضم عدة أقطاب مستقلة. تتضمن تطبيقات اللفائف المنحنية إنسالات ثعبانية الحركة، والقثطرات والمناظير الطبية التي يتم توجيهها وإنسالات من ذوات الأرجل وآليات توجيه الهوائيات.

http://oloommagazine.com/images/Articles/20/SCI2004b20N1_H03_003237.jpg

 

يرجع الفضل بالدرجة الأولى في تحقق الإنجاز الكبير الثاني إلى أن الباحثين كانوا، كما يقول پيلرين مازحا، «يختبرون كل مادة قابلة للتمدد تقع أيديهم عليها ـ أي إنهم يتبعون ما نسميه طريقة إديسون في البحث.» (جرّب <Th.إديسون> جميع أنواع المواد بشكل منظم بحثا عن مادة مناسبة لصنع فتيل المصباح الكهربائي). ويضيف پيلرين قائلا: «في منزلي كنا قد وضعنا قفلا مصنوعا من پوليمير على باب الثلاجة لمنع طفلي الصغير من الدخول إليها. وعندما كبر الطفل وانتفت الحاجة إلى القفل قمت بنزعه. ولكن نظرا لأنه مصنوع من مادة قابلة للتمدد فقد قررت اختبار خواصه في الانفعال وكان أداؤه جيدا جدا بشكل مدهش.» لم يكن تتبّع المادة المستعملة في صنعه وتعيين تركيبها بالأمر الهين، ولكن في النهاية «تبين أن الپوليمير اللغز كان «أكريليك» مطاطيا يمكنه إنتاج انفعالات وطاقة بكمية هائلة ـ حيث يصل الانفعال الخطي إلى %380. لقد تمكنّا بفضل هذين الإنجازين من البدء باستخدام المطاطيات العازلة في إنتاج أدوات تشغيل واقعية،» على حسب قول الباحث.

 

جعلها حقيقة ملموسة(********)

يمتاز التوجه العام لفريق الشركة SRI بالمرونة، حيث يشمل تصاميم عدة، بل يستخدم أنواعا مختلفة من الپوليميرات. وكما يقول پي: «هذه أداة وليست مادة.» وتبعا لپيلرين، فإن فريق العمل يمكنه إنتاج التأثير التشغيلي باستخدام پوليميرات متعددة، بما في ذلك أنواع الأكريليك والسيليكون. بل حتى المطاط الطبيعي يمكن أن يؤدي الغرض إلى حد ما. ففي درجات الحرارة المتدنية في الفضاء الخارجي، على سبيل المثال، يكون الأفضل صنع العضلات الصنعية من لدائن السيليكون، التي أمكن تشغيلها عمليا في الفراغ عند درجة حرارة 100- درجة مئوية. والاستعمالات التي تتطلب إنتاج قوة أكبر قد تستدعي استخدام پوليمير أكثر أو ربط عدة أدوات معا على التسلسل أو على التوازي.

 

يقول <ڤون گاگينبرگ> [من الشركة SRI]: «نظرا لأن المطاطيات العازلة يمكن شراؤها جاهزة (من على الرف)، ونحتاج على الأكثر إلى بضع أقدام مربعة من المادة لتصنيع الأداة، فإن المشغلات الناتجة ستكون منخفضة التكلفة جدا، وبخاصة في حالة الإنتاج الكبير.»

 

إن الڤلطية اللازمة لتنشيط المشغلات المطاطية العازلة عاليةٌ نسبيا ـ ما بين واحد إلى خمسة كيلوڤلط في العادة- لكي يتسنى تشغيل الأدوات عند تيار منخفض جدا (بشكل عام، الڤلطية العالية تعني تيارا منخفضا). أيضا، يستخدم هذا النوع من المشغلات أسلاكا رفيعة أقل تكلفة وحرارتها منخفضة بشكل معقول. يقول پيلرين: «حتى النقطة التي ينهار فيها المجال الكهربائي ويبدأ التيار بالتدفق عبر الثغرة (بين القطبين)، فإن زيادة الڤلطية تعطيك تمددا أكبر وقوة أكبر.»

 

يعلق كورنبلا قائلا: «قد تكون الڤلطية العالية مصدر قلق، ولكنها ليست خطرة بالضرورة. فمع أن مصابيح النيون وأنابيب الأشعة المهبطية (الكاثودية) هي أدوات تستخدم ڤلطية عالية، فإننا لا نجد أحدا يبدي قلقا إزاءهما. فهذا أمر قد يهم بشكل أكثر التطبيقات التي تستخدم أدوات نقالة، لأن البطاريات تعطي عادة ڤلطية منخفضة، ومن ثم يحتاج إلى دارات تحويل إضافية.» إضافة إلى ذلك، فقد تمكن <Q.زانگ> ومجموعة من الباحثين [في جامعة ولاية پنسلڤانيا] من خفض ڤلطيات التنشيط لبعض أنواع من الپوليميرات الكهرإجهادية عن طريق دمجها في مواد أخرى للحصول على مواد مركبة.

 

وعند سؤاله عن مدى متانة المشغلات المطاطية العازلة للشركة وتحمّلها أقرّ ڤون گاگينبرگ بالحاجة إلى دراسات أكثر، ولكنه أكد وجود «أدلة قوية» على استمرارها في العمل مدة طويلة بما فيه الكفاية للاستخدام التجاري ـ ويضيف: «على سبيل المثال، قمنا بتشغيل أداة لأحد الزبائن أعطت انفعالات متوسطة، من %5 إلى %10، وعلى مدى عشرة ملايين دور cycle.» كما استمرت أداة أخرى في توليد انفعالات مساحة area strains قدرها %500 وعلى مدى مليون دور.

 

ومع أن المشغلات التي تستخدم تقانة العضلات الصنعية أخف وزنا بشكل ملحوظ من نظيرتها التي تستخدم المحركات الكهربائية ـ الپوليميرات نفسها لها كثافة الماء ـ فإن الشركة مستمرة في جهودها لتخفيض كتلتها بتقليل الحاجة إلى مشابِك الشد الخارجية المستخدمة لتوليد الإجهاد المسبق للپوليميرات. على سبيل المثال، يقوم پي حاليا بتجريب استعمال المعالجة الكيميائية تمهيدا للاستغناء عن إطار مشابك الشد الخارجي الثقيل نسبيا.

 

تصنيع منتجات(*********)

بعدما طوّر فريق الباحثين في الشركة SRI آلية تشغيل أساسية، بدأ الفريق بسرعة بتطوير فيض من مفاهيم التطبيقات: مشغلات خطية لصنع ما يطلقون عليه اسم «لُفافة الربيع»(13)، يقوم المهندسون بلف عدة طبقات من متلاحمةlaminated  مسبقة الإجهاد، مصنوعة من شرائح المطاطيات العازلة، حول نابض حلزوني. يدعم شد النابض الإجهاد المحيطي المسبق، في حين يُبقي الإجهاد المسبق للمتلاحمة باتجاه الطول على النابض مضغوطا [انظر الشكل في الصفحة24 ]. وتعمل الڤلطية المطبقة على انكماش ثخانة المتلاحمة وارتخاء في اتجاه طولها مما يؤدي إلى تمدد الأداة. وعليه يمكن استخدام «لفافة الربيع» هذه في توليد قوة وشوط كبيرين في حزمة مدمجة. يذكر كورنبلا أن شركات تصنيع السيارات مهتمة بهذه الآليات كبدائل للعديد من المحركات الكهربائية الصغيرة المستخدمة في السيارات، كتلك المستعملة للتحكم في وضعية المقعد آليا والتحكم في صمامات المحركات العديمة الحدبات (الكامات) ذات الكفاءة العالية.

 

لفافات تنحني. باستخدام نفس التصميم الأساسي للُفافة الربيع، يمكن للمهندسين توصيل أقطاب للحصول على اثنين أو أكثر من قطاعات مستقلة حول محيط اللفافة، التي يمكن التعامل معها كلاً على حدة. فبتوصيل الكهرباء بأحد القطاعات، يتمدد جانب اللفافة الذي يضم ذلك القطاع، وبالتالي تنحني اللفافة بكاملها بعيدا عن ذلك الجانب [انظر الشكل في الصفحة 24]. يمكن لآليات مبنية على هذا التصميم أداء حركات معقدة يصعب تحقيقها بالوسائل التقليدية من محركات ومسننات ووصلات. تضم الاستخدامات المحتملة لهذا النوع من المشغّلات القثطرات الطبية catheters الموجهة وأنواع الإنسالات الثعبانية (المتلوية).

ضخ الغشاء(**********)

تصنع المشغّلات ذات الغشاء بِفَرْد طبقة رقيقة من المطاطيات العازلة على فتحة إطار صلب. في العادة يكون الغشاء في وضع محدودب، أي مدفوعا لأعلى أو لأسفل عن طريق نابض أو ضغط هواء خفيف، أو مادة رغوية أو غير ذلك من الوسائل. هذا الوضع يجعل الغشاء يتحرك في اتجاه واحد (إما للأعلى أو للأسفل)، بدلا من مجرد التجعد بصورة عشوائية، عند توصيل الڤلطية. بوسع المشغّلات ذات الغشاء إزاحة حجم، مما يجعلها مناسبة لصنع مضخات أو مجاهير سمعية. تُستخدم تقانات التحريك البديلة، (كالمواد الخزفية الكهرإجهادية) منذ زمن طويل، غير أن الأغشية من المطاطيات العازلة تعطي إزاحات أكبر. ويمكن للغشاء في بعض التصاميم أن يتغير من وضع مستو إلى وضع محدب [الشكل أدناه].

http://oloommagazine.com/images/Articles/20/SCI2004b20N1_H03_003238.jpg

 

http://oloommagazine.com/images/Articles/20/SCI2004b20N1_H03_003239.jpg

 

مشغلات دفع-جذب push-pull. يمكن وضع زوج من الطبقات الرقيقة للمطاطيات العازلة أو من اللفافات في ترتيبة «دفع ـ جذب» بحيث يعمل أحدهما عكس الآخر، وبالتالي تكون استجابتهما أكثر خطية («دخل واحد يؤدي إلى خرج واحد»). بنقل الڤلطية من إحدى الأداتين إلى الأخرى يمكن إزاحة المجموعة ككل عن موضعها جيئة وذهابا؛ في حين يؤدي تنشيط الأداتين معا إلى ثبات المجموعة عند نقطة محايدة. بهذه الطريقة تعمل المشغلات كما تعمل العضلات ذات الرأسين أو ذات الثلاثة رؤوس إحداهما عكس الأخرى للتحكم في حركة الذراع البشرية.

 

مجاهير صوتية. إذا فردنا طبقات رقيقة في مادة مطاطية عازلة على إطار ذي فتحة، فسيصدر الغشاء المتشكل صوتا نتيجة تمدده وانكماشه بسرعة تبعا لإشارة الڤلطية الموصّلة إليه. بهذه الطريقة يمكن الحصول على مجاهير مسطحة، خفيفة الوزن، قليلة التكلفة، يكون فيها الوسط المتذبذب بمنزلة وسيلة محرضة ولوحة إصدار الصوت في آن واحد. وتوفر التصاميم الحالية أداء جيدا في نطاقي الترددات الصوتية المتوسطة والمرتفعة. ولم يتم بعد التوصل إلى الأداء الأمثل لسماعات النغمات المنخفضة التردد، إلا أنه لا توجد عقبات تحول دون عمل المجاهير الجديدة بشكل جيد عند الترددات المنخفضة [انظر الشكل في الصفحة 25].

 

مضخات. تشبه المضخة ذات الغشاء المصنوع من المطاطيات العازلة في تصميمها مجهار الترددات المنخفضة بعد أن أضاف المهندسون إليه حجيرة للسائل وصمامين أحاديي الاتجاه (غير مُرجع) للتحكم في تدفق السائل. تعتبر العضلات الصنعية ملائمة تماما لتشغيل المضخات المجهرية للسوائل ـ للاستخدام على سبيل المثال في أدوات «مختبر على شيپة» lab-on-a-chip  المهمة  في مجالي الطب والصناعة.

 

محسات. نظرا لطبيعة عملها، فإن جميع أدوات المطاطيات العازلة التي تنتجها الشركة SRI تغيّر سعتها الكهربائية عند حَنْيها أو مطها. وعليه، يمكن صنع محس مرن يعمل عند ڤلطية منخفضة. وتبعا لكورنبلا، فإن فريق البحث كان على وشك إقناع أحد منتجي السيارات باستخدام تلك التقانة كمحس لقياس الشد في حزام الأمان في السيارة. وبالمثل، يمكن دمج هذه المحسات في المنسوجات وغيرها من المواد كالألياف والأشرطة أو الطلاءات.

 

 في بنية السطوح القابلة للتحكم(***********)

قد يكون تغيير بنية السطوح مرغوبا في العديد من التطبيقات، مثل الحصول على مواد «فعالة» للتمويه العسكري يكون بوسعها تغيير عاكسيتها للضوء. كما يمكن لتعديل بنية السطوح أن يسهم في التحكم في تدفق الهواء أو الماء على سطوح الطائرات أو السفن. ويمكن كذلك تصنيع وسائل عرض لمسية مبنية على التغير في البنية.

في عملها، تعتمد معظم مشغلات المطاطيات العازلة على التغيرات والتشوهات الكبيرة في مستوى سطح الطبقة الرقيقة. وفي هذه الحالة، فإن التغيرات في ثخانة الطبقة الرقيقة لا تكاد تلاحظ. ومع ذلك فعند طلاء الطبقات الرقيقة وأقطابها المطاوعة بطبقة أكثر طراوة وسمكا في هلام پوليمير، يمكن تضخيم التغيرات في الثخانة بدرجة كبيرة بحيث يمكن ملاحظتها بسهولة: عند تمدد الطبقة الرقيقة باتجاه مستواها ينتشر الهلام مع الطبقة المتمددة ويبرز على شكل انتفاخ في المناطق التي تنضغط فيها الطبقة الرقيقة.

http://oloommagazine.com/images/Articles/20/SCI2004b20N1_H03_003240.jpg

 

http://oloommagazine.com/images/Articles/20/SCI2004b20N1_H03_003241.jpg

 

بنية السطوح، والسطوح الذكية. إذا طُبعت على الپوليميرات أنماط من الأقطاب، فسيتسنى إبراز صفيفات من النقاط أو الأشكال الأخرى على حسب الرغبة. يمكن استخدام هذه التقانة في عمل منسوجات تمويه فاعلة تغير عاكسيتها للضوء وفق الحاجة، أو عمل «أخاديد ميكروية» على أجنحة الطائرات لتحسين خواص المقاومة الدينامية للهواء [انظر الشكل في هذه الصفحة].

 

مولدات قدرة. نظرا إلى أن هذه المواد تعمل كمكثفات طرية، يمكن أن يُصنع منها مولدات قدرة وحاصدات طاقة من النوع الذي يعتمد على تغير سعة المكثف. لقد قامت وكالة مشروعات الأبحاث المتطورة (DARPA) والجيش الأمريكي بتمويل مشروع لتطوير مولد كهربائي للمشاة يعمل تبعا لضربات الكعب على الأرض، فهو مصدر نقال للطاقة يمكن للجنود وغيرهم في الميدان استخدامه لتزويد الأدوات الإلكترونية بالقدرة الكهربائية اللازمة بدلاً من البطاريات. ويمكن لشخص متوسط الطول، يمشي بمعدل خطوة واحدة كل ثانية توليد واط واحد من القدرة الكهربائية باستخدام أداة يجري تطويرها حاليا [انظر الشكل في هذه الصفحة]. يذكر ڤون گاگينبرگ أن هذا المفهوم اجتذب اهتمام شركات صنع الأحذية. يمكن بالمثل تثبيت الأدوات في أربطة حقيبة الظهر أو في أجزاء آلية التعليق في السيارات. من حيث المبدأ، يمكن استخدام هذه الطريقة لتوليد الطاقة من حركة الأمواج ومن الرياح.

 

قام الباحثون في الشركة SRI مؤخرا بتجريب مفهوم آخر أكثر تطرفا ـ الآلات الپوليميرية polymer engines. لقد تم إحراق وقود الپروپان في خميرة احتراق، واستخدم الضغط الناجم عن نواتج الاحتراق في تشويهٍ عابر لغشاء من پوليميرات المطاطيات العازلة لتوليد الكهرباء. ويمكن أن تؤدي مثل هذه التصاميم إلى صنع مولدات صغيرة جدا للطاقة بأبعاد في حدود السنتيمتر أو أقل.

 

دفقة كهربائية مع كل خطوة(************)

يمكن لأدوات من المطاطيات العازلة توليد طاقة كهربائية. وفي نمط التوليد هذا تطبق ڤلطية عبر الپوليمير المطاطي العازل، الذي يتشوّه شكله بتأثير القوة الخارجية. ومع تغير شكله، تتغير أيضا سعة المكثف للأداة، وباستخدام الدارات (الدوائر) الإلكترونية المناسبة يتم توليد الطاقة. ويلاحظ أن كثافة الطاقة لهذه المواد عند استخدامها كمولدات تعتبر عالية، مما يعني أنه يمكن جعلها أخف وزنا مقارنة بالتقانات الأخرى.

http://oloommagazine.com/images/Articles/20/SCI2004b20N1_H03_003242.jpg

تناسب أدوات من المطاطيات العازلة التطبيقات التي تُنْتَج فيها الطاقة الكهربائية من حركة كبيرة نسبيا، كما في حالة توليد الكهرباء من طاقة الرياح والأمواج والنشاط البشري. ويعتبر اقتناص طاقة الضغط في كعب الحذاء عند ضربه الأرض أثناء المشي أو الجري مثالا جيدا لتوليد طاقة كهربائية نقالة، فالطاقة المتولدة هذه مجانية، لأنها لا تمثل عبئا إضافيا على منتعل الحذاء. يقوم مولد الطاقة هنا باستغلال ضغط الكعب في تشويه صفيف من أغشية متعددة الطبقات.

http://oloommagazine.com/images/Articles/20/SCI2004b20N1_H03_003243.jpg

يتوقع مهندسو الشركة SRI، مع استمرار عملية التطوير، إمكان أداةٍ توليدَ نحو واط واحد أثناء المشي العادي. وباستخدام وحدة من هذا النوع في كل فردة حذاء يمكن توليد كهرباء تكفي لتشغيل هاتف نقال على سبيل المثال. يجري حاليا تطوير مثل هذه الأداة للجيش الأمريكي وذلك لتزويد الجنود بالقدرة الكهربائية في الميدان، غير أن هذه التقانة لها استخداماتها المدنية أيضا.

 

غير أن المنتجات التي يمكن تسويقها حقيقة ليست جاهزة بعد. يقول ڤون گاينبرگ: «في هذه المرحلة نقوم بإنتاج أدوات جاهزة يمكننا وضعها بين أيدي المهندسين ليتسنى لهم اللعب بها والشعور بالراحة والثقة مع هذه التقانة الوليدة. نأمل أن تكون مسألة وقت فقط قبل أن يبدأ كل مهندس بأخذ هذه التقانة بعين الاعتبار عند تصميم منتجاته الجديدة.»

 

يعبِّر بار-كوهين عن إعجابه بالتقدم الذي حققه فريق الشركة SRI في تقانة المشغلات. ولكن هذا النجاح أحدثَ مشكلة من نوع آخر فيما يتعلق بالتحدي في منافسة ثني الذراع. يضحك بار-كوهين قائلا: «كنا نتوقع أن الأمر سيحتاج إلى نحو عشرين عاما لكي يتمكن شخص ما من تطوير ذراع ميكانيكية تكون من القوة بحيث تتنافس مع ذراعٍ آدمية. وحاليا فإن الشركة SRI تقول إنها جاهزة لبناء تلك الذراع، ونحن لم نتمكن بعد من جمع المبلغ المطلوب للجائزة!».

 

المؤلف

Steven Ashley

كاتب ومحرر بمجلة ساينتفيك أمريكان.

مراجع للاستزادة 

High-Speed Electrically Actuated Elastomers with Over 100% Strain. Ran Pelrine, Roy Kornbluh, Qibing Pei and Jose Joseph in Science, Vol. 287, pages 836-839; February 4, 2000.

Electroactive Polymer (EAP) Actuators as Artificial Muscles: Reality, Potential, and Challenges. Edited by Yoseph Bar-Cohen. SPIE Press Monograph, Vol. PM98; 2001.

Polymer Actuators. Peter Sommer-Larsen and Roy Kornbluh in Proceedings of Actuator 2002. 8th International Conference on New Actuators, Bremen, Germany; June 2002.

An All-Organic Composite Actuator Material with High Dielectric Constant. Q. M. Zhang et al. in Nature, Vol. 419, pages 284-287; September 19, 2002.

Engineering a Muscle: An Approach to Artificial Muscle Based on Field-Activated Electroactive Polymers. Roy Kornbluh et al. in Neurotechnology for Biomimetic Robots. Edited by Joseph Ayers, Joel Davis and Alan Rudolph. MIT Press, 2002.

Smart Structures and Materials 2003: Electroactive Polymer Actuators and Devices (EAPAD). Edited by Yoseph Bar-Cohen. Proceedings of the SPIE, Vol. 5051; 2003.

Simple muscle demos are available online at www.erg.sri.com/projects/muscle/recipe and ndeaa.jpl.nasa.gov/nasa-nde/lommas/eap/EAP-recipe.htm

The World Wide ElectroActive Polymer Newsletter is at ndeaa.jpl.nasa.gov/nasa-nde/lommas/eap/WW-EAP-Newsletter.html

Scientific American, October 2003

 

(*) ARTIFICIAL MUSCLES

(**) Overview/Electroactive Polymers

(***) Materials That Move

(****) How Electricity Makes a PlasticEexpand

(*****) Plastic That React

(******) Electrifying Rubber

(*******) Spring Rolls, Snakes and Robot Arms

(********) Making It Real

(*********) Pump Up the Membrane

(**********) Building Products

(***********) Controllable Surface Textures

(************) Electric Bounce in Every Step

 

(1) مشتقة من إنسالة robot وهذه نحت من إنسان ـ آلي، ومنها نشتق أيضا إنسالية robotics.

(2) مفردها پوليمير، ويقال أيضا: متماثر ومكثور.

(3) Electroactive Polymers

(4) Jet Populsion Laboratory

(5) Ionic Polymer Gels

(6)ionomeric polymer-metal composites

(7) Conductive Polymers

(8) Carbon Nanotubes

(9) ferroelectric polymers

(10) electrets

(11) dielectric elastomers

(12) electrostrictive graft elastomers

(13) النِكلة: قطعة مالية معدنية صغيرة.

(14) فطيرة صينية شهيرة على شكل لفافة spring roll.

تسوق لمجلتك المفضلة بأمان

مقالات ذات صلة

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *

زر الذهاب إلى الأعلى